Геном человека оказался неожиданно устойчив к крупным структурным изменениям
Учёные провели самое сложное на сегодняшний день инженерное редактирование линий человеческих клеток, показав, что наши геномы более устойчивы к значительным структурным изменениям, чем считалось ранее.
Исследователи из Института Сэнгера, Имперского колледжа Лондона, Гарвардского университета и их коллеги использовали CRISPR prime editing для создания в клеточных линиях множества версий человеческих геномов с различными структурными изменениями. С помощью секвенирования генома они проанализировали влияние этих структурных вариаций на выживаемость клеток.
Исследование, опубликованное в Science, показывает, что пока жизненно важные (essential) гены остаются нетронутыми, наши геномы могут переносить значительные структурные изменения, включая крупные делеции генетического кода. Работа открывает путь к изучению и прогнозированию роли структурных вариаций в заболеваниях.
Новый подход к созданию вариаций
Чтобы преодолеть трудности в изучении структурных вариаций, команда разработала новый подход. В одном эксперименте они использовали комбинацию CRISPR prime editing и линий человеческих клеток для создания тысяч структурных вариантов.
Исследователи вставили с помощью prime editing сайты узнавания рекомбиназы в повторяющиеся последовательности генома. Это позволило интегрировать до почти 1700 таких сайтов в каждую клеточную линию, что привело к более чем 100 случайным крупномасштабным генетическим перестройкам на клетку. Впервые стало возможным «перетасовать» геном млекопитающего в таком масштабе.
Устойчивость генома и роль некодирующей ДНК
Изучая влияние структурных вариаций с помощью геномного и РНК-секвенирования, учёные обнаружили:
- Клетки с делециями, затрагивающими essential-гены, погибали.
- Клетки с крупномасштабными делециями, избегающими essential-гены, выживали.
- Крупные делеции, особенно в некодирующих областях, не влияли на экспрессию генов в остальной части клетки.
Это говорит о том, что человеческие геномы чрезвычайно устойчивы к структурным вариациям, включающим изменение положения сотен генов. Также возникает вопрос, является ли значительная часть некодирующей ДНК в геноме человека избыточной.
Подтверждение и перспективы
В связанной статье, также опубликованной в Science, исследователи из Университета Вашингтона пришли к схожим выводам, используя другой метод (интеграцию сайтов рекомбиназы в транспозоны). Оба исследования подтверждают неожиданную толерантность человеческого генома к существенным структурным изменениям.
Эта работа представляет собой самый инженерно-модифицированный человеческий клеточный материал на сегодня. Она позволит:
- Улучшить понимание роли структурных вариантов в заболеваниях (например, в раке и болезнях развития).
- Сузить область поиска в геноме для изучения патогенных структурных вариаций.
- Создавать новые, оптимизированные клеточные линии для изучения лекарственной устойчивости или производства лекарств.
Д-р Йонас Кёппель: «Если представить геном как книгу, то точечная мутация — это опечатка, а структурная вариация — как вырванная страница... Мы показали, что наши геномы достаточно гибки, чтобы переносить значительные структурные изменения».
Профессор Том Эллис: «Десять лет назад люди думали, что на создание перестраиваемого человеческого генома уйдут десятилетия работы и сотни миллионов долларов... Эта работа показывает путь к тому, чтобы сделать это возможным прямо сейчас».
Д-р Леопольд Партс: «Эти исследования представляют собой качественный скачок в параллельном создании и оценке структурных вариаций в человеческих геномах... Это открывает новые возможности как для изучения болезнетворных вариаций, так и для биоинженерии».