Сибирские ученые совершенствуют системы геномного редактирования

12.01.2023




 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.

(jpg, 155 Kб)

Преимущества модифицированных направляющих РНК.
Фото предоставлено исследователями.

«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).


Источник: «Наука в Сибири».
Текст: Кирилл Сергеевич.

©РАН 2023