Molekularna osobliwość odkryta u bakterii może być kluczem do dowolnego przeprojektowywania genomów, umożliwiając naukowcom wstawianie, usuwanie lub odwracanie dużych segmentów DNA.

Technika ta, opisana w trzech artykułach opublikowanych w tym miesiącu w Natura^1,2 I Komunikacja przyrodnicza³wykorzystuje naturalną zdolność ruchomych sekwencji genetycznych, zwanych genami skaczącymi, do włączania się do genomów.

Kierowany przez cząsteczkę RNA zwaną „mostowym” RNA lub „seekRNA”, system ten wykazywał zdolność edycji genów w bakteriach i reakcjach probówkowych, ale nadal nie jest jasne, czy można go dostosować do pracy w komórkach ludzkich. Jeśli tak, może być rewolucyjny ze względu na niewielkie rozmiary i zdolność do dokonywania zmian genetycznych o długości tysięcy zasad — znacznie większych niż jest to praktyczne w przypadku systemu edycji genomu CRISPR–Cas9 — bez łamania DNA.

„Jeśli to zadziała w innych komórkach, będzie to przełomowe odkrycie” – mówi Sandro Fernandes Ataide, biolog strukturalny z University of Sydney w Australii i autor Komunikacja przyrodnicza papier. „Otwiera nowe pole w edycji genów”.

Transpozycyjne skarby

Podobnie jak wiele gwiazd, wzrost sławy CRISPR–Cas9 był nękany mylącymi nagłówkami. Chociaż tę metodę można zastosować do przepisania małych fragmentów genomu, nie jest to w pełni wszechstronny system „kopiuj i wklej”, jak przedstawiają niektóre doniesienia prasowe. Technikę tę najczęściej stosuje się do zmiany tylko jednej lub kilku zasad DNA — a to zazwyczaj wymaga najpierw rozbicia DNA, a następnie polegania na wrodzonych systemach naprawy DNA komórki w celu wygenerowania pożądanej zmiany. Otwiera to jednak drzwi do niezamierzonych, ubocznych uszkodzeń genetycznych w miarę przeprowadzania naprawy przez komórkę.

Wraz z wkraczaniem CRISPR do medycyny ludzkiej, naukowcy są chętni do rozszerzenia swojego zestawu narzędzi do edycji genomu, aby mogli wstawiać całe lub nawet wiele genów w wybrane przez siebie miejsce. Dzięki temu mogliby opracować terapię leczącą osoby, które mają kilka mutacji w jednym genie, zamiast celować w każdą mutację za pomocą indywidualnego podejścia. A możliwość edycji kilku genów mogłaby pozwolić naukowcom na skonstruowanie komórek odpornościowych tak, aby atakowały raka na wiele sposobów, jednocześnie zachowując kontrolę nad tym, gdzie te geny są wstawiane do genomu.

„To, co naprawdę chcesz robić w przyszłości, to móc projektować całe sekcje swojego genomu, a nie pojedyncze zasady” – mówi Patrick Hsu, bioinżynier w non-profit Arc Institute w Palo Alto w Kalifornii i autor książki oba Natura dokumenty tożsamości.

Aby znaleźć narzędzia, Hsu i jego współpracownicy przeszukali zróżnicowaną klasę enzymów, które umożliwiają mobilnym elementom DNA bakterii przeskakiwanie z jednego miejsca do drugiego. Skupili się na rodzinie elementów transpozycyjnych o nazwie IS110.

Zespół odkrył, że enzymy z rodziny IS110 wykorzystują złożony i niezwykły system kierowania oparty na RNA. Jeden koniec RNA wiąże się z fragmentem DNA, który zostanie wstawiony do genomu, a drugi koniec wiąże się z fragmentem DNA w miejscu w genomie, w którym znajdzie się ładunek. Ponieważ RNA łączy dwa segmenty DNA, zespół nazwał te cząsteczki „RNA pomostowymi”.

Zmieniając sekwencje na obu końcach tego mostu, naukowcy byli w stanie zaprogramować enzymy IS110, aby wstawić wybrany przez nich ładunek w żądanym miejscu w genomie. Użyli systemu, aby precyzyjnie wstawić fragment DNA, który miał prawie 5000 zasad długości do genomu bakterii Pałeczka okrężnicyoraz wyciąć i odwrócić kolejny fragment DNA z E coli genom.

Pracując niezależnie od Hsu, Ataide i jego współpracownicy scharakteryzowali biochemię cząsteczek IS110, a także cząsteczek innej rodziny, zwanej IS1111, która wykorzystuje podobny mechanizm i jest również programowalna. Nazywają swoje pośredniki RNA „seekRNA”.

Opracowanie i wykorzystanie tych mechanizmów to niezwykłe osiągnięcie, mówi Elizabeth Kellogg, która bada ruchome elementy DNA zwane transpozonami w Szpitalu Dziecięcym St. Jude w Memphis w stanie Tennessee. „Wszystkim podoba się to, że transpozony mogą wprowadzać duże ładunki DNA” – mówi – „ale sprawienie, by były programowalne i dostosowane do konkretnego miejsca, jest niezwykle trudne”.

Inne systemy transpozycji, które badacze badali pod kątem edycji genomu, są bardziej złożone, zauważa, i często składają się z wielu białek. W innym artykule opublikowanym w Natura w tym miesiącu badacze ustalili, w jaki sposób kluczowe elementy niektórych z tych skomplikowanych maszyn tworzą złożoną strukturę znaną jako transpososom, która współpracuje z enzymem zwanym transpozazą, umożliwiając mobilnym elementom genetycznym przemieszczanie się po genomie⁴.

Rozmiar ma znaczenie

Podobnie wysiłki mające na celu zaprojektowanie systemów opartych na CRISPR w celu dokonywania dużych manipulacji w genomie często wymagają również wielu białek lub fuzji enzymu Cas z innym białkiem. Na przykład artykuł opublikowany 26 czerwca br Komórka opisuje metodę powielania fragmentów genomu do 100 milionów zasad – większych niż niektóre ludzkie chromosomy – przy użyciu białka Cas9 połączonego z enzymem, który może skopiować sekwencję dawcy⁵.

Programowalne enzymy kierowane RNA do edycji genomu nowej generacji

Z kolei systemy IS110 i IS1111 wymagają tylko jednego białka, które jest o ponad połowę mniejsze niż wiele enzymów Cas stosowanych w systemach edycji genomu CRISPR. Ta różnica wielkości jest istotna w zastosowaniach medycznych: wirusy często wykorzystywane do przenoszenia składników edytujących genom do komórek ludzkich mają ograniczoną pojemność.

Ale zaletą systemów CRISPR jest także wszechstronność, mówi Chengzu Long, bioinżynier z New York University Langone Health w Nowym Jorku. Niektóre enzymy Cas działają w prawie każdym badanym typie komórek.

Long mówi, że prace nad IS110 i IS1111 są „piękne”. „Mam jednak nadzieję, że za kilka miesięcy powiedzą, że to działa na myszach” – dodaje. – W takim razie napijmy się kawy.

Jak dotąd, IS110 członkowie rodziny nie wydają się dobrze działać w komórkach ssaków, mówi Hiroshi Nishimasu, biolog strukturalny z University of Tokyo, który współpracował z Hsu w celu ustalenia mechanizmu, za pomocą którego enzym IS110 atakuje DNA. Zespół próbuje teraz zaprojektować je tak, aby działały lepiej w komórkach ssaków. Niezależnie od ich sukcesu, mechanizm IS110 wyróżnia się jako nowy i „elegancki” sposób, w jaki ruchome elementy DNA mogą przemieszczać się po genomie, mówi Nancy Craig, starsza wiceprezes w SalioGen Therapeutics, firmie biotechnologicznej w Lexington w stanie Massachusetts, której celem jest opracowanie narzędzi do edycji genomu przy użyciu transpozonów ssaków.

„Matka Natura znalazła na to wiele rozwiązań” – mówi. „Znaleźliśmy kilka, ale czeka na nas o wiele więcej”.