Как молекулярные ножницы находят нужное место для разреза

Исследователи из Уппсальского университета выяснили, как система CRISPR-Cas9, известная как «молекулярные ножницы», ищет в геноме специфическую последовательность ДНК. Cas9 уже имеет множество применений в биотехнологии и, как ожидается, совершит революцию в медицине. Новые данные показывают, как можно улучшить Cas9, чтобы сделать ножницы быстрее и надежнее. Исследование опубликовано в журнале Science.

За менее чем десятилетие CRISPR-Cas9 произвела революцию в биологических исследованиях. Cas9 позволяет целенаправленно исправлять или модифицировать («редактировать») практически любую последовательность ДНК. Есть надежда, что генетические ножницы также позволят лечить и предотвращать наследственные заболевания.

Ключевая особенность Cas9 в том, что молекулу можно запрограммировать искусственным фрагментом генетического кода, который затем будет искать соответствующую последовательность в геноме. Учёные из Уппсальского университета обнаружили, как именно Cas9 находит нужную последовательность.

«Большинство белков, ищущих код ДНК, могут распознать одну конкретную последовательность, просто «ощупывая» внешнюю сторону двойной спирали ДНК. Cas9 может искать произвольный код, но чтобы определить, находится ли он в правильном месте, молекула должна раскрыть двойную спираль ДНК и сравнить последовательность с запрограммированным кодом. Невероятно то, что она может искать по всему геному, не расходуя при этом энергию», — говорит руководитель исследования Йохан Эльф.

Исследователи разработали два новых метода, чтобы измерить, сколько времени Cas9 требуется для поиска целевой последовательности. Первый метод показал, что на поиск в бактерии (то есть среди четырёх миллионов пар оснований) у Cas9 уходит до шести часов. Этот неожиданный результат был подтверждён вторым, независимым методом. Измеренное время также согласуется с количеством миллисекунд, доступных Cas9 для проверки каждой позиции, что учёные смогли измерить, отслеживая меченые молекулы Cas9 в реальном времени.

«Результаты показывают, что цена гибкости Cas9 — время. Чтобы найти цель быстрее, нужно больше молекул Cas9, ищущих одну и ту же последовательность ДНК», — отмечает Йохан Эльф.

Очень высокие концентрации Cas9, необходимые для поиска правильной последовательности за разумное время, могут создавать серьёзные проблемы для клеток, которые учёные пытаются изменить. Но теперь, когда природа процесса поиска понятна, появилась важная подсказка, как можно улучшить систему. Пожертвовав частью гибкости Cas9, можно создать генетические ножницы, которые будут достаточно универсальными для редактирования различных генов, но при этом достаточно быстрыми для медицинского применения.

«Результаты дали нам подсказки, как можно достичь такого решения, — говорит Эльф. — Ключ кроется в так называемых "PAM-последовательностях", которые определяют, где и как часто Cas9 раскрывает двойную спираль ДНК. Молекулярные ножницы, которым не нужно так часто раскрывать спираль для поиска цели, будут не только быстрее, но и снизят риск побочных эффектов».