На сегодняшний день по большей части исследователи могли модифицировать только один ген за раз, используя метод. Иногда они справлялись с двумя или тремя за один присест; в одном конкретном случае они смогли редактировать семь генов одновременно. Теперь профессор Рэндалл Платт и его команда из Департамента науки и инженерии биосистем в ETH Zurich в Базеле разработали процесс, который, как они продемонстрировали в экспериментах, может изменить 25 целевых сайтов в генах в клетке одновременно. Как если бы этого было недостаточно, это число может быть увеличено до десятков или даже сотен генов, как указывает Платт.
В любом случае этот метод предлагает огромный потенциал для биомедицинских исследований и биотехнологий. "Благодаря этому новому инструменту мы и другие ученые теперь можем достичь того, о чем раньше могли только мечтать."
Целевое крупномасштабное перепрограммирование клеток
Гены и белки в клетках взаимодействуют по-разному. Получающиеся сети, состоящие из десятков генов, обеспечивают клеточное разнообразие организма.
Например, они отвечают за дифференциацию клеток-предшественников на нейрональные и иммунные клетки. «Наш метод позволяет нам впервые систематически изменять целые генные сети за один шаг», – говорит Платт.
Более того, это открывает путь к сложному и крупномасштабному программированию ячеек. Его можно использовать для увеличения активности одних генов и снижения активности других.
Время этого изменения активности также можно точно контролировать.
Это представляет интерес для фундаментальных исследований, например, для изучения того, почему разные типы клеток ведут себя по-разному, или для изучения сложных генетических нарушений. Это также окажется полезным для заместительной клеточной терапии, которая включает замену поврежденных клеток здоровыми. В этом случае исследователи могут использовать этот метод для преобразования стволовых клеток в дифференцированные клетки, такие как нейрональные клетки или бета-клетки, продуцирующие инсулин, или наоборот, для производства стволовых клеток из дифференцированных клеток кожи.
Двойная функция фермента Cas
Для метода CRISPR-Cas требуется фермент, известный как Cas, и небольшая молекула РНК. Его последовательность азотистых оснований служит «адресной меткой», направляя фермент с максимальной точностью к назначенному месту действия на хромосомах. Ученые ETH создали плазмиду или кольцевую молекулу ДНК, в которой хранится план фермента Cas и многочисленные адресные молекулы РНК, расположенные в последовательностях: другими словами, более длинный список адресов.
В своих экспериментах исследователи вставили эту плазмиду в клетки человека, тем самым продемонстрировав, что несколько генов можно модифицировать и регулировать одновременно.
Для нового метода ученые использовали не фермент Cas9, который на сегодняшний день представлен в большинстве методов CRISPR-Cas, а связанный с ним фермент Cas12a.
Он может не только редактировать гены, но и одновременно разрезать длинный «список адресов РНК» на отдельные «адресные метки». Кроме того, Cas12a может обрабатывать более короткие адресные молекулы РНК, чем Cas9. «Чем короче эти адресные последовательности, тем больше их мы можем уместить в плазмиде», – говорит Платт.