Открыта система прицельного редактирования больших участков генома

Американские и японские исследователи обнаружили мобильные генетические элементы, которые позволяют вносить прицельные модификации — инсерции, делеции или инверсии — в заданные последовательности ДНК. Они связывают ДНК-донор и ДНК-мишень с помощью петель некодирующей РНК, которые поддаются независимому искусственному перепрограммированию, что позволяет использовать эти элементы для внесения длинных — порядка тысяч пар оснований — изменений в теоретически любой участок генома. Их эффективность в качестве системы редактирования ДНК подтвердили в молекулярных экспериментах и на бактериальных клетках. Посвященные этому публикации (одна описывает разработку в целом, другая характеризует молекулярную структуру системы) появились в Nature, также на эту тему в журнале вышла редакционная статья.

Мобильные генетические элементы (МГЭ, MGE) представляют собой последовательности ДНК, которые могут перемещаться внутри генома. Они присутствуют во всех доменах живого мира и отвечают за изменчивость (а следовательно, за появление и специализацию новых генов), обмен генетических материалом между биологическими видами, формирование иммунной защиты и другие процессы. Существуют разные виды МГЭ (например, транспозоны или плазмиды), которые используют для перемещения различные ферменты, такие как транспозазы, интегразы, хоуминг-эндонуклеазы и рекомбиназы. Как правило, эти ферменты распознают ДНК-мишень путем контакта белка с ДНК и могут быть специфичными (например, рекомбиназы Cre и Bxb1) или относительно случайными (например, транспозазы Tn5 и PiggyBac).

Инсерционные последовательности (IS-элементы, или просто IS) — это одни из самых простых МГЭ, распространенные у бактерий и архей. Они кодируют транспозазу, которую и используют для вырезания себя из одного участка генома и вставки в другой, и, за редкими исключениями, ничего более. Элементы семейства IS110 кодируют транспозазы с каталитическим мотивом DEDD, по механизму действия скорее напоминающие рекомбиназы, формируют при транспозиции необычную циркулярную структуру и помимо гена фермента содержат с обоих концов некодирующие последовательности, функции которых были плохо изучены. Кроме того, они, в отличие от других IS, зачастую встраиваются в геном специфично по отношению к определенным последовательностям и не работают за пределами организма-хозяина, что указывает на особый механизм их действия.

Патрик Сюй (Patrick Hsu) из Института Arc с коллегами из США и Японии провел структурную и функциональную характеризацию IS110. Выяснилось, что, когда этот IS-элемент принимает циркулярную форму в ходе транспозиции, он экспрессирует некодирующую РНК, которая формирует две отдельные петли. Одна из них комплементарна донорской ДНК IS110, а другая — ее последовательности-мишени в геноме. Таким образом, эта биспецифичная РНК обеспечивает контакт ДНК-донора и ДНК-мишени за счет спаривания оснований, служа своеобразным мостом, из-за чего ее назвали мостовой РНК (bridge RNA, bRNA). Следует отметить, что за несколько дней до этого в журнале Nature Communications вышла статья Сандро Атайде (Sandro Ataide) с коллегами по Сиднейскому университету, которые также показали роль РНК в прицельном действии IS110 и назвали ее поисковой РНК (seeker RNA, seekRNA).

Искусственно модифицируя некодирующие последовательности IS621 из семейства IS110, исследователи показали, что донор-связывающую и мишень-связывающую петли мостовой РНК можно несложно перепрограммировать независимо друг от друга, и этот IS-элемент сохраняет свои функции, что позволяет произвольно выбирать ДНК-донор и ДНК-мишень. В экспериментах они программировали IS621 для внесения инверсий, эксцизий или инсерций в заданные участки генома кишечной палочки (Escherichia coli), причем эффективность инсерции составила более 60 процентов при специфичности более 94 процентов (при этом использовали встраиваемую последовательность из 4,85 тысячи пар оснований). Также с помощью компьютерного моделирования авторы работы идентифицировали мостовые РНК в некодирующих участках других членов семейств IS110 и IS1111, то есть существуют разнообразные мостовые рекомбиназы, которые потенциально можно использовать для редактирования генома.

Пока неизвестно, работают ли мостовые рекомбиназы в эукариотических клетках в имеющемся виде, или нуждаются в дальнейших модификациях, а также каковы будут их эффективность и специфичность. Однако простота программирования этой системы и ее возможности вносить крупномасштабные модификации ДНК могут помочь создать на ее основе технологию редактирования генома нового поколения, потенциально превосходящую по возможностям обычные рекомбиназы, CRISPR-Cas и другие системы.

Поиски новых, более точных и гибких методов редактирования генома ведутся постоянно. Уже после открытия и модификаций CRISPR-Cas разные научные группы предлагали использовать с этой целью, например, защитные генетические элементы бактерий ретроны и Cas9 с вирусной обратной транскриптазой и РНК-праймером. Также был представлен нейросетевой инструмент для создания полностью искусственных систем CRISPR-Cas9 с заданными характеристиками.