В новом исследовании учёные из Университета штата Северная Каролина (North Carolina State University) описывают ряд молекулярных инструментов для переписывания больших фрагментов ДНК организма. Инструменты основаны на системах CRISPR-Cas, связанных с транспозонами.
Транспозоны — участки ДНК организмов, способные к передвижению (транспозиции) и размножению в пределах генома. Транспозоны также известны как «прыгающие гены» и являются примерами мобильных генетических элементов. Транспозоны чаще всего формально относятся к так называемой некодирующей части генома — той, которая в последовательности пар оснований ДНК не несёт информацию об аминокислотных последовательностях белков, хотя некоторые классы мобильных элементов содержат в своей последовательности информацию о ферментах, транскрибируются и катализируют передвижения; например, ДНК-транспозоны и ДДП-1 кодируют белки транспозаза, БОРС1 и БОРС2.
У разных видов живых существ транспозоны распространены в разной степени: у человека они составляют до 45% всей последовательности ДНК, у плодовой мухи Drosophila melanogaster — лишь 15—20%, а у растений транспозоны могут занимать основную часть генома. Так, у кукурузы (Zea mays) с размером генома в 2,3 миллиарда пар оснований по крайней мере 85% составляют различные мобильные элементы.
Авторы статьи, опубликованной в журнале Nucleic Acids Research, изучили различные системы CRISPR-Cas и применили их для добавления генетического груза — до 10 000 дополнительных букв генетического кода — к грузу транспозона, чтобы внести желаемые изменения в организм. Конкретно — в бактерию E. coli.
Бактерии используют CRISPR-Cas в качестве адаптивной иммунной системы, чтобы противостоять атакам врагов, таких как вирусы. Учёные адаптировали эти системы для вырезания и замены определённых последовательностей генетического кода в различных организмах. Сочетание же систем CRISPR-Cas с транспозонами позволяет экспоненциально увеличить перемещаемые с их помощью объёмы кода.
«В природе транспозоны кооптировали системы CRISPR, чтобы эгоистично перемещаться по геному организма и выживать. Мы, в свою очередь, кооптируем то, что происходит в природе, интегрируя с транспозонами программируемую систему CRISPR-Cas, способную перемещать генетический груз, который мы разрабатываем для выполнения определённой функции, — поясняет Родольф Баррангу, один из авторов исследования. — Используя этот метод, мы показали, что можем создавать новые геномы, перемещая фрагменты ДНК длиной до 10 000 букв. Природа уже делает это — биоинформационные данные показывают примеры перемещения системами CRISPR на основе транспозонов отрезков до 100 000 генетических букв. Но теперь мы можем контролировать эту систему и использовать её для генной инженерии».
Исследование показало эффективность метода как in vitro, на лабораторном стенде, так и in vivo, на E. coli. Чтобы проверить эффективность метода, исследователи отобрали десять различных транспозонов, ассоциированных с CRISPR. Подход сработал со всеми десятью.
«Было захватывающе обнаружить, что все протестированные нами системы остались функциональными после реконструкции их из естественных биологических форм в инструменты редактирования генома», — делится Эйвери Робертс, первый автор исследования.
Исследование также показало, что ничто не мешает использовать несколько разных транспозонов одновременно.
«Вместо всего лишь одного гена — как в случае с другими системами CRISPR, такими как более знакомая система Cas-9 типа II, — мы можем задействовать целый метаболический путь, чтобы включить в организм совершенно новый набор функций», — рассказывает Баррангу.
Глобальный руководитель отдела исследований семян компании Syngenta Гусуй Ву (Gusui Wu) впечатлён результатами исследования. «Мы, — сказал он, — в восторге от результатов и видим потенциал применения этих недавно открытых систем на культурных растениях для ускорения выведения более устойчивых и высокоурожайных сортов».
Подготовка материала — XX2 век.
Источники: https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkac985/6830670?login=false, https://phys.org/news/2022-11-genetic-hitchhikers-crispr.html.
✳ Друзья! Если вам нравится то, что мы делаем, вы очень поможете нам, подписавшись на канал «XX2 век». Также мы будем рады вашим лайкам и репостам на «Дзене» и в других соцсетях и подпискам на Sponsr.ru или Boosty. Поддержите распространение научного знания, научного взгляда на мир и информации о технологиях и о том, куда движется человечество.