CRISPR-Cas3: новый инструмент для редактирования больших участков ДНК

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF) разработали новый инструмент на основе CRISPR-Cas3, который позволяет вырезать и заменять значительно более длинные участки ДНК по сравнению с широко известной системой CRISPR-Cas9. Работа опубликована 19 октября 2020 года в журнале Nature Methods.

Как работает новый инструмент

  • CRISPR-Cas9 действует как «молекулярное долото», точно вырезая небольшой фрагмент ДНК.
  • Новый CRISPR-Cas3 ведёт себя иначе. Фермент Cas3, связываясь с целевой ДНК, «запускает мотор» и, подобно персонажу Pac-Man, «пережёвывает» одну из цепей двуцепочечной ДНК в обоих направлениях. Это позволяет удалять протяжённые участки генома.

«Cas3 — это как Cas9 с мотором», — пояснил руководитель исследования Джозеф Бонди-Деноми.

Практическое значение

Новый инструмент открывает возможности для:

  1. Фундаментальных исследований: Упрощённого изучения функций больших, плохо изученных регионов бактериальной ДНК. «Теперь вместо создания 100 небольших делеций мы можем сделать одну большую и спросить: "Что изменилось?"»
  2. Биотехнологии: Удаления из бактерий-продуцентов ненужных или потенциально патогенных фрагментов ДНК для производства фармацевтических препаратов.
  3. Генной терапии: Потенциальной вставки целых генов в геномы в медицинских, промышленных и сельскохозяйственных приложениях.

Экспериментальные результаты

Учёные модифицировали систему CRISPR-Cas3 из бактерии Pseudomonas aeruginosa. Показана её эффективность для удаления выбранной ДНК в четырёх различных бактериальных видах, включая патогены человека и растений. В экспериментах удалялись участки, охватывающие до 100 бактериальных генов.

Важное преимущество: манипулируя последовательностями ДНК, предоставляемыми бактериям для репарации, исследователи смогли точно задавать границы этих крупных делеций — чего не удавалось достичь с CRISPR-Cas9.

Контекст и перспективы

CRISPR-Cas3 — наиболее распространённая в природе CRISPR-система, встречающаяся у бактерий примерно в 10 раз чаще, чем Cas9. Бонди-Деноми предполагает, что Cas3 может быть более эффективной бактериальной иммунной системой, поскольку она «разрывает ДНК фага на части».

Ранее открытые этой же группой анти-CRISPR стратегии фагов в будущем могут быть использованы для контролируемой остановки редактирования генов, управляемого Cas-ферментами, или для направленного удаления нежелательных бактерий из микробиома.