Работая с плодовыми мушками и человеческими клетками, исследование, проведенное научным сотрудником Калифорнийского университета в Сан-Диего Чжицян Ли из отдела биологических наук лаборатории профессора Этана Биера, демонстрирует, что новые механизмы восстановления ДНК могут быть разработаны для устранения последствий изнурительных заболеваний и состояния поврежденных клеток.
Ученые разработали новый генетический датчик под названием «CopyCatcher», который использует технологию генного привода на основе CRISPR, чтобы обнаруживать случаи, в которых генетический элемент точно копируется с одной хромосомы на другую во всех клетках тела плодовой мушки.
Подробности объяснены в журнале Nature Communications.
Технология генного привода разрабатывается для копирования и распределения желаемых черт в репродуктивных клетках организма (сперматозоидов и яйцеклеток), что позволяет распространять эти черты среди населения, что потенциально предотвращает передачу болезней, переносимых насекомыми, таких как малярия, и укрепляет сельское хозяйство. посевы. Для приложений, связанных со здоровьем человека, системы CopyCatcher нового поколения будут измерять, как часто такое идеальное копирование может происходить в различных клетках человеческого тела. Поскольку эта система обнаруживает очень высокую скорость копирования у плодовых мушек, аналогичный успех в человеческих клетках позволит ученым вносить желаемые точные изменения генома во всем теле, и особенно в клетках, которые зависят от функции этого гена для нормального здоровья.
«Эти исследования представляют собой четкое доказательство принципа нового типа генной терапии, при котором одна копия мутировавшего гена может быть восстановлена из частично неповрежденной второй копии гена», – сказал Бир, старший автор исследования и науки Nature Communications. директор Института генетики и общества Тата-Калифорнийский университет в Сан-Диего. «Необходимость в таком дизайне возникает в генетических ситуациях с пациентами с наследственными генетическими нарушениями, если их родители были носителями двух разных мутаций в одном и том же гене."
Бир говорит, что стратегия фиксации мутировавшего гена в его нормальном контексте внутри генома сильно отличается от текущих стратегий генной терапии, в которых суррогатная копия гена помещается в другой сайт генома и действует как грубый «пластырь»."
«Этот метод восстанавливает достаточную активность генов, чтобы позволить пациенту хромать», – сказал Бир. "В этих случаях гены часто активируются в клетках, где они обычно должны молчать, и могут не активироваться в других, где они должны быть."
Если бы высокая эффективность точного редактирования генов in vivo, обнаруженная CopyCatchers у плодовых мушек, могла быть достигнута в клетках человека, то можно было бы лечить различные генетические нарушения, включая болезни крови, болезни, влияющие на зрение или слух, и болезни, поражающие определенные органы, такие как мышечная дистрофия. , муковисцидоз (легкие и почки) и врожденные пороки сердца.
«Эта восстановительная форма генной терапии будет представлять собой значительное улучшение по сравнению с существующими методами, в которых функциональная копия гена обычно активируется во всех клетках тела, но по ненормальному образцу», – сказал Ли.
Хотя исследователи обнаружили высокоэффективное копирование генетической информации в трех генах, активных в разных тканях тела мух (глаза, эпидермис и эмбриональные клетки), эта способность копировать информацию с одной хромосомы на другую была менее эффективной в клетках человека (4-8 % клеток), чем у мух (в 30-50% клеток), как выяснили исследователи.
Однако в клетках человека, где с помощью CRISPR были сделаны определенные разрезы одной хромосомы, исследователи строго установили, что другая хромосома может использоваться для восстановления повреждений, в результате чего генетический элемент точно копируется в сайт разреза. Более того, меры по улучшению копирования у мух также транслировались в усиленное копирование в клетках человека, предполагая, что дальнейшие исследования могут повысить эффективность генетической репарации человека in vivo.
CopyCatchers созданы на основе того факта, что клетки имеют по две копии каждой хромосомы. В исходном месте CopyCatcher становится неактивным, что не позволяет ему производить красный флуоресцентный детекторный белок.
Однако, если CopyCatcher копирует себя точно в другую хромосому, он может освободиться от ограничений, наложенных на исходный элемент, что приведет к тому, что клетки станут флуоресцентными. Доля красных флуоресцирующих клеток, представленная в таблице по всей ткани, является количественным показателем частоты точного редактирования CRISPR.
Поскольку считалось, что клетки тела относительно не поддаются точному редактированию CRISPR, было удивительно, что CopyCatchers обнаруживают неожиданный потенциал клеток по всему телу, например, в глазах и в эпидермисе.
В следующей серии запланированных экспериментов Ли и его коллеги из лаборатории Bier будут использовать CopyCatcher и связанные системы для дальнейшей оптимизации эффективности корректирующего редактирования и разработки систем моделей для болезней человека, чтобы повысить эффективность этой технологии для приложений генной терапии.
Соавторами исследования являются: Чжицян Ли, Ними Марсель, Сушил Девкота, Анкуш Аурадкар, Стивен Хедрик, Валентино Ганц и Итан Бир.
Исследование финансировалось Национальным институтом здравоохранения (грант R01 GM117321), авторство Paul G. Премия Allen Frontiers Group Distinguished Investigators и подарок от Tata Trusts в Индии TIGS-UC San Diego и TIGS-India.
Примечание: Бир имеет долю в двух компаниях, которые он основал: Synbal Inc. и Agragene, Inc., которые потенциально могут извлечь выгоду из результатов исследования. Он также входит в совет директоров Synbal и научно-консультативный совет обеих компаний.