Новый инструмент позволяет исследователям изучать мутации генов непосредственно в живых клетках человека
Генные мутации имеют как хорошие, так и плохие последствия — от устойчивости к таким заболеваниям, как диабет, до восприимчивости к некоторым видам рака.
Чтобы изучить эти мутации, ученым необходимо ввести их непосредственно в клетки человека. Но изменение генетических инструкций внутри клеток — сложный процесс. Геном человека состоит из 3 миллиардов пар оснований ДНК, распределенных по десяткам тысяч генов.
С этой целью исследователи из Гарварда создали инструмент, который позволяет им быстро создавать мутации только в определенных интересующих генах, не нарушая остальную часть генома. Описанный в Science , их инструмент, называемый Helicase-Assisted Continuous Editing (HACE), может быть развернут в заранее определенных областях генома в неповрежденных живых клетках.
«Разработка таких инструментов знаменует собой значительный скачок вперед в нашей способности использовать эволюцию непосредственно в клетках человека», — сказал первый автор Си Дон Чен, студент Высшей школы искусств и наук Гриффина, изучающий синтетическую биологию на кафедре стволовых клеток и регенеративной биологии . «Позволяя целенаправленный мутагенез в определенных частях генома, этот инструмент открывает дверь к созданию ферментов и методов лечения, которые ранее были недоступны».
«HACE сочетает в себе точность CRISPR с возможностью редактирования длинных участков ДНК, что делает его мощным инструментом для целенаправленной эволюции».
В отличие от современных методов мутагенеза, которые включают в себя вставку дополнительных копий генов или широкое мутационное воздействие на множество различных генов одновременно, HACE предлагает преимущество направленности на локации — например, на конкретный адрес, а не на район. Новая биоинженерия команды включает в себя объединение геликазы, которая является ферментом, который естественным образом «распаковывает» ДНК, с ферментом редактирования генов. Затем они используют технологию редактирования генов CRISPR-Cas9, чтобы направить пару белков к гену, который они хотят мутировать. Поскольку геликаза распаковывает ДНК, она вносит мутации только в эту последовательность генов.
«HACE сочетает в себе точность CRISPR с возможностью редактирования длинных участков ДНК, что делает его мощным инструментом для целенаправленной эволюции», — пояснил старший автор Фэй Чэнь, доцент кафедры стволовых клеток и регенеративной биологии и член Института Брода .
Чтобы продемонстрировать возможности инструмента в лабораторных условиях, ученые использовали его для выявления мутаций лекарственной устойчивости в гене MEK1, на который часто воздействуют методы лечения рака, но которые часто терпят неудачу, поскольку больные клетки мутируют механизмы устойчивости. Используя HACE, команда секвенировала только те мутировавшие гены и выявила несколько уникальных изменений, связанных с устойчивостью к противораковым препаратам, таким как траметиниб и селуметиниб, что дает представление о том, как мутации влияют на эффективность лекарств.
Они также изучили, как мутации в SF3B1, гене, участвующем в биомолекулярном процессе, называемом сплайсингом РНК, влияют на сборку РНК. Мутации в этом гене распространены при раке крови, но было неясно, какие мутации вызывают дефекты сплайсинга; с помощью HACE команда могла легко идентифицировать эти изменения.
А в сотрудничестве с лабораторией Брэдли Бернстайна в Гарвардской медицинской школе и Институтом онкологии Дана-Фарбера исследователи также использовали этот инструмент, чтобы лучше понять, как изменения в регуляторной области ДНК влияют на выработку белка в иммунных клетках, признанных потенциальной мишенью для иммунотерапии рака.
Бернстайн сказал, что такие инструменты, как HACE, когда-нибудь позволят проводить масштабное редактирование регуляторных последовательностей генов, которые затем можно будет объединить с вычислениями глубокого обучения для расшифровки. «Можно представить себе множество новых терапевтических возможностей, которые включают точное редактирование или настройку этих регуляторных последовательностей для «исправления» активности генов и облегчения болезни», — сказал Бернстайн.
Это исследование было поддержано многочисленными источниками, включая Национальные институты здравоохранения, Институт Брода и Гарвардский институт стволовых клеток.