Улучшение "генетических ножниц"

Сотрудники Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН создают модифицированные направляющие РНК, используемые в работе инструментов геномного редактирования, в частности CRISPR/Cas9. По словам ученых, это позволит улучшить свойства «генетических ножниц»: сделать их более точными и менее токсичными для клеток организма. Статья об исследовании опубликована в журнале The CRISPR Journal.

Системы редактирования генома в условиях многоклеточного организма в последние десять лет активно используются биологами и химиками всего мира. Процессы изучения и варианты применения подобных технологий в науке и медицине постоянно развиваются. Некоторые ученые называют систему CRISPR/Cas9 Святым Граалем генной инженерии. В дальнейшем этот инструмент позволит устранять наследственные проблемы в геноме человека или животных. 

«Чтобы понять масштаб работы систем геномного редактирования, можно представить, что в клетке человеческого организма находится приблизительно 23 000 генов. “Генетические ножницы” проникают в нее, находят из этого огромного количества нужный ген, который необходимо исправить, затем создают в нем двухцепочный разрыв и в идеале не оставляют никаких следов вмешательства. Помимо работы в лабораториях, эти инструменты также могут применяться и в диагностике — для них уже существуют функционирующие диагностические системы, такие как SHERLOCK (Specific High Sensitivity Enzymatic Reporter UnLOCKing). Во время пандемии SARS-CoV-2 они вошли в практический обиход», — рассказывает заведующий лабораторией геномного редактирования ИХБФМ СО РАН кандидат химических наук Григорий Александрович Степанов.

Для медицинского использования системы геномного редактирования имеют ряд недостатков, которые препятствуют их внедрению в практику. Одной из слабых сторон этой технологии является недостаточная специфичность. Когда система ищет нужную мишень в клетке, то она ошибочно может воздействовать на другой похожий ген. Другим негативным влиянием считается цитотоксичность — токсическое воздействие на клетку. Исследование новосибирских ученых посвящено усовершенствованию уже существующих систем геномного редактирования для улучшения их свойств.

«Проведя обзор литературы и изучив модификации, которые используются в разных системах, мы обнаружили, что ранее никто не применял именно природные модификации. Они классифицируются как химические по азотистому основанию. Мы синтезируем РНК с помощью фермента Т7 РНК-полимеразы, а в качестве строительного материала для нее используются нуклеозидтрифосфаты, такие как псевдоуридин, N6-метиладенозин и 5-метилцитидин. Их основное преимущество в том, что таким образом модифицированные РНК оказывают меньший токсический эффект на клетку, также они более стабильны, чем немодифицированные аналоги, и не связываются с рядом РНК-рецепторов. Это позволяет сделать системы геномного редактирования безопаснее для организма. В комплексе с белком Cas9 модифицированные направляющие РНК имеют повышенную точность, узнают нужную мишень и связываются с ней, а белок отвечает за внесение изменений именно в тот ген, который мы изначально и выбрали для редактирования. Они лучше определяют мутированные участки ДНК и работают с большей специфичностью», — пояснил Григорий Степанов. 

«В случае немодифицированного аналога расщепление ДНК-субстратов происходит практически на уровне 100 %, то есть система воздействует и на мутации, и на гены, в которых эти мутации отсутствуют. Соответственно, когда мы вводили модификации в данные направляющей РНК, то влияние оказывалось преимущественно на нужные мишени. Таким образом мы и обнаружили улучшенную эффективность и точность системы геномного редактирования», — отмечает младший научный сотрудник лаборатории геномного редактирования ИХБФМ СО РАН Дарья Вадимовна Прохорова. 

Системы геномного редактирования, в частности CRISPR/Cas9, уже сейчас могут применяться для диагностики заболеваний, а в будущем — и для их лечения. С помощью модифицированной направляющей РНК удастся вырабатывать невосприимчивость к каким-либо вирусам, но на сегодняшний день генные модификации на целом организме невозможны по многим причинам, включая и этическую сторону науки, и сложность проведения подобных манипуляций. 

«Сейчас ученые не готовы применять в лечении болезней инструменты геномного редактирования, так как всё же присутствует опасность того, что в организме человека они могут сработать не так, как было задумано изначально. Но вполне реально использовать такие технологии в будущем для лечения генетических заболеваний на стадии эмбрионального развития. “Генетические ножницы” должны работать с ювелирной точностью, чтобы войти в обиход медицинской практики», — говорит Григорий Степанов.

Исследования выполняются при поддержке Российского научного фонда (проект № 21-64-00017).

Кирилл Сергеевич