Новое понимание CRISPR-Cas9 может улучшить редактирование генов

Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли впервые получили трёхмерную структуру одного из самых многообещающих инструментов на основе CRISPR-Cas9 — базовых редакторов. Они связываются с ДНК и не разрезают её, а с высокой точностью заменяют один нуклеотид на другой.

Базовые редакторы, созданные четыре года назад, уже используются в попытках исправить однонуклеотидные мутации в геноме человека. Существующие редакторы потенциально могут воздействовать на около 60% всех известных генетических заболеваний — более 15 000 наследственных нарушений, вызванных мутацией всего в одном нуклеотиде.

Структура, описанная в журнале Science, показывает, что базовые редакторы ведут себя как два независимых модуля:

  1. Модуль Cas9 обеспечивает специфичность (находит нужный участок ДНК).
  2. Каталитический модуль (деаминаза) обеспечивает активность (замену нуклеотида).

Это понимание открывает путь к созданию более управляемых инструментов для терапии.

Почему редактор ABE8e быстрый, но может ошибаться

Новейшая версия редактора, ABE8e, работает чрезвычайно быстро, завершая почти 100% целевых замен за 15 минут. Однако криоэлектронная микроскопия (cryoEM) и биохимические анализы показали, что он может чаще редактировать нецелевые участки ДНК.

Причина в том, что деаминаза в ABE8e активна постоянно. Пока Cas9 "перебирает" тысячи сегментов ДНК в поисках точной мишени, деаминаза, "как loose cannon", часто редактирует нуклеотиды ещё до окончательного связывания с нужной целью.

Структура также выявила две конкретные мутации в белке деаминазы, которые делают ABE8e быстрее его предшественника ABE7.10. Эти мутации позволяют белку крепче "схватывать" ДНК и эффективнее заменять аденин (A) на гуанин (G).

Перспективы: рациональный дизайн редакторов следующего поколения

Полученная структура — первая для белкового слияния на основе Cas9. Она даёт исследователям "дорожную карту" для рационального улучшения инструментов:

  • Можно перепроектировать редактор так, чтобы каталитический модуль активировался только тогда, когда Cas9 точно нашёл свою мишень, что резко снизит количество нецелевых редактирований.
  • Это открытие также может помочь в создании множества других Cas9-слитых белков для манипуляций с генами.

Как отмечают авторы, теперь, имея структуру, можно "не только понять, когда [редактор] работает, а когда нет, но и спроектировать следующее поколение базовых редакторов, сделав их ещё лучше и более пригодными для клинического применения".