Белки для редактирования генома ищут свою цель скольжением и прыжками
Поиск конкретной последовательности во всем геноме похож на попытку найти одну конкретную деталь в коробке с пазлом на миллиард частей. Используя передовые методы визуализации, исследователи из Университета Иллинойса наблюдали, как один из наборов белков для редактирования генома находит свои специфические мишени. Это может помочь в разработке более эффективных методов генной терапии для лечения заболеваний.
Профессора химической и биомолекулярной инженерии Чарльз Шрёдер и Хуймин Чжао вместе с аспирантами Люком Кукулисом и Жанар Абил опубликовали свою работу в журнале Nature Communications.
Белки TALE (transcription activator-like effectors) можно запрограммировать на распознавание и связывание с определенными участками ДНК. Исследователи заинтересованы в их использовании для синтетической биологии, например, для редактирования генома растений или бактерий, или для генной терапии. Например, группа Чжао исследует применение белков TALE для лечения серповидноклеточной анемии, вызванной мутацией в одном звене цепи ДНК.
«Люди использовали эту технику, но никто до конца не понимал механизм», — сказал Шрёдер. «Главный вопрос: как эти белки находят свои целевые сайты? Они созданы для связывания с определенным местом, но существует огромный геном с миллиардами оснований. Как же белок находит свой сайт? Если понять механизм, можно создать более совершенные белки».
Исследователи использовали методы визуализации, позволившие им наблюдать в микроскоп, как отдельные белки TALE взаимодействуют с цепочкой ДНК. Они обнаружили, что белки ищут и находят цель с помощью комбинации скольжения и прыжков. Белки связываются с ДНК и скользят вдоль спирали, перемещаясь по молекуле, как по шоссе. Также было замечено, что белки совершают частые короткие прыжки вдоль своего пути, что позволяет им двигаться эффективнее, не отрываясь далеко от ДНК.
«Комбинация скольжения и прыжков означает, что они могут охватить больше территории и потенциально преодолевать препятствия на своем пути», — сказал Кукулис, соавтор статьи.
«Такое сочетание поведения также позволило бы белку TALE переключаться между цепями двойной спирали ДНК и проверять обе цепи, увеличивая шанс найти целевой сайт», — добавила Абил, также соавтор работы.
Исследователи также проанализировали, какие части белка выполняют работу, обнаружив разделение труда между доменами внутри белка: одна часть занимается поиском, а другая связывается с конкретной целевой последовательностью. Это открытие обрадовало ученых, так как дало понимание, где можно изменить дизайн белка, чтобы сделать его связывание еще более селективным.
«Основная цель — создать улучшенные белки с меньшим внецелевым связыванием. Не нужно, чтобы они связывались не в том месте», — пояснил Шрёдер. «Если мы сконструируем белок таким образом, чтобы не просто наивно изменить специфический связывающий домен, а создадим новый белок с разными частями в разных местах, мы сможем повысить эффективность, не увеличивая количество ошибок».
Далее исследователи планируют наблюдать за работой белков в живых клетках, чтобы увидеть, меняется ли их поведение в гуще активных процессов внутри клеточного ядра.
«Это дает нам лучшее понимание механизма редактирования генома», — сказал Чжао. «Когда мы понимаем его лучше, это дает новые идеи для дизайна белка. Если говорить о терапевтическом применении, требуется очень специфичный дизайн».