Математика объясняет, почему CRISPR-Cas9 иногда разрезает не ту ДНК
Белок Cas9 упростил редактирование генов. Однако выяснилось, что он иногда разрезает и другие последовательности ДНК, похожие на целевую. Ученые из Делфтского технического университета создали математическую модель, объясняющую это поведение.
CRISPR-Cas9 — это защитная система бактерий от вирусов. Она хранит фрагменты вирусной ДНК как «генетическую память». При повторной атаке белок Cas9, используя вирусную РНК как «шпаргалку», находит и разрезает ДНК врага.
Вредные побочные эффекты
Изначально считалось, что Cas9 режет только точное совпадение с РНК-шаблоном. Но это не так. Он может разрезать и последовательности с некоторыми отличиями. С эволюционной точки зрения это логично: вирусы мутируют, и такая «терпимость» помогает системе отслеживать их эволюцию.
Однако для редактирования человеческих генов это проблема. Разрушение нецелевой ДНК может иметь тяжелые последствия. Эксперименты показали, что Cas9 с разной вероятностью режет различные несовпадающие последовательности.
Физика процесса
Исследовательская группа Мартина Депкена под руководством аспиранта Миши Клейна выяснила физические причины этой избирательности. Все дело в энергии, необходимой для образования пар оснований, отклоняющихся от РНК-шаблона.
«Когда Cas9 проверяет совпадение, он начинает с одного конца цепочки и проверяет все «буквы» по очереди, — объясняет Депкен. — За каждое совпадение Cas9 получает энергетическое вознаграждение, а за несовпадение — тратит энергию. Чем больше ошибок содержит последовательность ДНК и чем ближе они к началу, тем выше вероятность, что белок не станет резать, а отсоединится и продолжит поиск».
Лучшие прогнозы
Простая математическая модель группы хорошо предсказывает известные данные о поведении Cas9. Если ошибка находится в конце последовательности, белок, вероятно, уже накопил достаточно энергии, чтобы преодолеть это препятствие, что увеличивает вероятность разреза. Модель также объясняет, почему Cas9 отказывается резать при несовпадении в начале последовательности или когда две ошибки расположены близко друг к другу.
На вероятность разреза также влияют физические свойства самого белка Cas9. Ученые работают над включением этой переменной в модель. В конечном итоге модель должна привести к лучшему прогнозированию ошибок, которые может совершить Cas9.
«Иногда есть выбор в точном месте для разреза при исправлении гена, и наша модель поможет определить, какие места лучше всего нацеливать», — говорит Депкен. Физическое понимание, предоставляемое моделью, также может помочь избежать опасных для жизни ошибок при редактировании ДНК.