Генная инженерия развивается впечатляющими темпами: менее чем за десятилетие она прошла путь от лабораторных экспериментов до лечения пациентов с тяжелыми и неизлечимыми заболеваниями. Один из эффективных ее инструментов — редактор ДНК, разработанный биохимиком Алексис Комор из Калифорнийского университета в Сан-Диего.
При всех своих достижениях технология редактирования оснований сравнительно молодая и не лишена недостатков. Среди них — риск внесения незапланированных правок в генокод. Лаборатория Комор нашла способ снизить его без ущерба эффективности инструмента. Результаты исследования вышли в журнале Nature Biotechnology.
Редактирование оснований работает путем внесения изменения в одну цепь ДНК. В случае адениновых базовых редакторов (ABE — это и есть детище Комор) аденин заменяется гуанином. Однако если рядом с целевым нуклеотидом есть несколько других аденинов, замена может коснуться и их. Такие сопутствующие правки могут быть безвредными, но возможны и нежелательные последствия — вплоть до гибели клетки.
Взаимоисключающие требования
Один из способов уменьшить число сопутствующих правок — сузить «окно редактирования», то есть диапазон оснований, на которые нацелен ABE. Но это также снижает и эффективность редактирования. Комор задалась целью улучшить точность редактора так, чтобы это не повредило его работоспособности.
«Важно оптимизировать оба свойства — особенно для терапевтических применений. Геномный редактор может быть очень эффективен во внесении желаемого изменения, но если он делает это одновременно с другими, нежелательными правками, его применение будет небезопасно», — считает она.
Модификации подвергли версию ABE7.10 с более узким окном редактирования. Как и другие варианты (ABE8.20 и ABE8e, у которых это окно шире), для превращения оснований он использует модифицированный фермент, в который были внесены 14 точечных мутаций. Их внедряли в бактериальных клетках Escherichia coli (методика «направленная эволюция» удостоена Нобелевской премии по химии в 2018 году), и теперь уже неясно, как каждая из этих мутаций влияет на активность редактора.
Чтобы распутать эти эффекты, Мэллори Эванофф, выпускница факультета химии и бывшая постдокторантка лаборатории Комор, провела реверсивный анализ — вернула каждую мутацию обратно к исходной («дикой») последовательности. Затем она оценила активность всех 14 вариантов с единичными обратными мутациями как в клетках человека, так и в бактериях E. coli.
Некоторые из этих мутаций вели себя сходно в бактериях, другие оказывали разное действие в двух системах-хозяевах. Учитывая, что ABE предназначен для работы прежде всего с человеческими генами, ученая выбрала пять самых полезных мутаций и объединила их в «минимально эволюционировавший ABE» (ME-ABE). У него узкое окно редактирования, но активность сравнима с более мощными версиями ABE8.
«Это один из первых случаев, когда нам удалось разорвать связку между эффективностью и шириной окна редактирования. В других работах повышение активности всегда достигалось ценой расширения окна и, следовательно, увеличения числа сопутствующих правок», — довольна Комор.
Обоюдоострый инструмент
Каждый из нас несет в своей ДНК миллионы уникальных генетических особенностей. В большинстве своем безвредные, иногда они могут обернуться тяжелейшими патологиями. Выяснить, какие именно мутации или их комбинации ответственны за болезнь — задача, похожая на работу детектива. Но результат расследования стоит того — это генная терапия для индивидуального лечения.
«Удобство точных инструментов в том, что можно вносить эти мутации в модельные организмы и задавать правильные вопросы, прежде чем пробовать какие-либо терапии на пациентах. Или можно очень точно вычленить: у многих людей может быть целый набор мутаций, но только некоторые из них вносят вклад в тот симптом или заболевание, с которым мы работаем», — объясняет Эванофф.
Она называет ME-ABE обоюдоострым инструментом: с его помощью можно и лучше моделировать и понимать возможные генетические мутации, и вносить потенциальные исправления и создавать персонализированные лекарства.
Обновить прошивку: генный редактор CRISPR впервые в мире применили к человеку
Ученые впервые увидели, как ДНК управляет генами внутри живых клеток
Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX