Открит е нов още по-мощен инструмент за редактиране на гени

Ваня Милева Последна промяна на 07 декември 2021 в 00:02 16770 0

Кредит: CC0 Public Domain

Малко разработки са разтърсили така света на биотехнологиите или са предизвикали сензации, както откриването на системите CRISPR-Cas, пробив в редактирането на гени, получил признание през 2020 г. с Нобелова награда.

Но тези системи, които се срещат естествено в бактериите, са ограничени, защото могат да направят само малки промени в гените. През последните години учените откриха различна система в бактериите, която може да доведе до още по-мощни методи за редактиране на гени, като се има предвид уникалната й способност да вмъква гени или цели участъци от ДНК в генома.

Ново изследване от Тексаския университет в Остин драстично разширява броя на естествено срещащите се версии на тази система, давайки на изследователите множество потенциални нови инструменти за мащабно редактиране на гени.

Други учени вече са идентифицирали клъстери от гени, използвайки CRISPR, за да се вмъкнат на различни места в генома на организма, наречени CRISPR-асоциирани транспозони (CAST). По-ранна работа показва, че те могат да се използват за добавяне на цял ген или голяма ДНК последователност към генома, поне за бактерии.

За CRISPR-Cas и CRISPR-асоциирани транспозони

CRISPR е вид ДНК последователност, открита в бактерии и археи (прокариоти). CRISPR последователностите са получени от ДНК на бактериофаги, вируси, които атакуват бактериите. CRISPR всъщност е част от имунната система на бактериите и археите.

CRISPR е съкращение от clustered, regularly interspaced, short palindromic repeat, което означава – групирани, равномерно разпределени, кратки палиндромни повторения. Както подсказва името, те се състоят от повторения от нуклеотиди (градивните единици на ДНК), разделени от участъци взети от вируси, наречени „спейсъри”. Тези повторения могат да се четат по един и същи начин от ляво надясно или обратно. Например последователността ACCTAGGT и нейното допълнение в обратен ред TGGATCCA могат да се четат по този начин.

CRISPR-Cas в ензим, който използва CRISPR. („Cas“ е съкращение за „CRISPR-асоцииран“ протеин.) Един CRIPSR-асоцииран протеин, известен като Cas9, представлява особен интерес, тъй като може да се използва за генетично редактиране на всякакъв вид организми, включващи еукариоти.

Редактирането на гени CRISPR сега е във фокуса на интензивните изследвания.Технологията вече има много приложения в медицината и селското стопанство.

Еволюцията на адаптивните имунни системи на бактерии и археи като CRISPR-Cas е тясно свързана с транспозоните.

По-специално, смята се, че гените за ключови протеини, необходими за вмъкване на спейсъри (Cas1) и РНК-насочено разрушаване на ДНК (Cas9 и Cas12), произхождат от гени на транспозони.

Освен това транспозоните понякога съдържат собствени (макар и непълни) CRISPR-Cas системи, т.е. те са CRISPR-асоциирани транспозони (CAST).

ДНК транспозоните са примитивни генетични елементи, които колонизират всякакви видове организми – от бактерии до растения и животни. Те са паразитни елементи, които променят генома на гостоприемниците си. Изменят ги, като се намножават и местят между отделните хромозомни части чрез процеси, катализирани чрез специални протеини, които кодират (транспозази). Принадлежат към два класа, които се различават според техния механизъм на преместване (транспозиция). Те могат да бъдат накратко описани като: „копирай и постави” (клас I) и „изрежи и постави”(клас II).

Илюстрацията представя двата механизми на транспозиция: 1.„изрежи и постави” 2. ”копирай и постави”. Схема: Lauren Solomon, Broad Communicatios

Клас I се наричат ретротранспозони и се копират в два стадия. Първо се синтезира РНК, като за матрица се използва ДНК, после от РНК се синтезира отново ДНК. Тогава новосинтезираната (копираната) ДНК се вмъква на нова позиция в генома. Разликата при клас II, е че липсва междинната стъпка с РНК. При този клас траспозонът се отрязва и зашива на ново място с помощта на няколко вида ензими.

В човека транспозоните са 4 милиона, повечето – от неактивни фосилни останки от някога активни транспозони, и обхващат впечатляващите 50% от целия геном. Такова огромно количество няма как да не повлияе на генома.

Мутациите, причинени от вмъкване на траспозона в ДНК или обмяната на гени между вкараните транспозонни елементи, могат да помогнат за увеличаване разнообразието в гените, което от своя страна води до различия между индивидите, които в някои случаи води до различна приспособимост. Оттам – тези, които са се приспособили по-добре към средата си на живот стават двигател на еволюцията. По този начин активността на транспозоните може да влияе и в редки случаи да благоприятства видовете.

През 2016 г. група учени установиха, че системите CRISPR-Сas са еволюирали от транспозони, които са загубили своята мобилност и са били фиксирани в генома.

Сега екип, ръководен от Иля Финкелщайн (Ilya Finkelstein) и Клаус Уилке (Claus Wilke) от Тексаския университет в Остин, разширяват броя на вероятните CAST от около дузина до почти 1500. Те публикуват резултатите си в списание Proceedings of the National Academy of Sciences.

„С CAST потенциално бихме могли да вмъкнем много гени, наречени „генни касети“, кодиращи множество сложни функции“, разказва Финкелщайн, доцент по молекулярна биология, който замисля и ръководи изследването.

Наред с други неща, това отваря възможността за лечение на сложни заболявания, свързани с повече от един ген.

Изследователят на CRISPR и лауреат на Нобелова награда Дженифър Даудна (Jennifer A. Doudna) прогнозирапред Genetic Engineering and Biotechnology News, че CAST ще бъдат критичен елемент в разширяването на инструментариума на генните инженери, което ще направи възможно въвеждането на „всяка промяна, на всяко генетично място, във всеки организъм“ в рамките на десетилетие.

Използвайки суперкомпютъра Stampede2 в Тексаския изчислителен център (TACC - Texas Advanced Computing Center), екипът преравя най-голямата в света база данни от геномни фрагменти на микроби, които все още не са лабораторно култивирани или напълно секвенирани.

„Без ресурсите на TACC това би било невъзможно“, отбелязва Уилке, професор иръководител на катедрата по интегративна биология, който ръководи частта за обработката на данни на проекта.

„Терминът за това е биопроспектиране [bioprospecting]“, обяснява Финкелщайн. „Беше като да пресявам много тиня и боклуци, за да открия от време на време късче самородно злато.“

Екипът на Тексаския университет в Остин открива 1476 нови предполагаеми CAST, включително три нови семейства, удвоявайки броя на известните семейства. Те вече са проверили експериментално няколко от тях и планират да продължат да тестват още. В крайна сметка Финкелщайн прогнозира, че повечето ще се окажат истински CAST.

„Ако разполагаме само с няколко [CASTs], малко вероятно е да разполагаме с най-добрите съществуващи“, коментира Уилке. „Като разполагаме с повече от хиляда, можем да започнем да откриваме кои са най-лесни за работа или най-ефективни или точни. Надяваме се, че има нови системи за редактиране на гени, които могат да направят нещата по-добре от системите, които имахме преди".

В краткосрочен план Финкелщайн прогнозира, че много от тези нови системи може да се адаптират към генетично инженерни бактерии. Дългосрочното предизвикателство, заявява Финкелщайн, е да „опитомим“ системите, за да работят в нашите клетки.

„Светият граал е да накараме това да работи в клетките на бозайници“, отбелязва Финкелщайн.

Справка: James R. Rybarski et al, Metagenomic discovery of CRISPR-associated transposons, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021). DOI: 10.1073/pnas.2112279118

Източник: Potential new gene editing tools uncovered
University of Texas at Austin

Виж още за:
Най-важното
Всички новини

Още от Животът

Коментари

За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !