Новые генетические «CopyCatchers» обнаруживают эффективное и точное редактирование CRISPR в живом организме

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего заложили основу для потенциально нового типа генной терапии с использованием новых методов на основе CRISPR.

Работая с плодовыми мушками и человеческими клетками, исследование под руководством постдока Чжицяня Ли из лаборатории профессора Итана Бира демонстрирует, что новые механизмы репарации ДНК можно разработать для устранения последствий изнурительных заболеваний и повреждённых клеток.

Учёные создали новый генетический сенсор «CopyCatcher», который использует технологию генного драйва на основе CRISPR для обнаружения случаев, когда генетический элемент точно копируется с одной хромосомы на другую в клетках тела плодовой мушки.

Принцип работы и потенциал

Технология генного драйва разрабатывается для копирования и распространения желаемых признаков в репродуктивных клетках тела (сперматозоидах и яйцеклетках), что позволяет распространять эти признаки в популяциях — потенциально предотвращая передачу болезней, переносимых насекомыми (например, малярии), и укрепляя сельскохозяйственные культуры.

Для применения в здравоохранении системы CopyCatcher следующего поколения будут измерять, как часто такое точное копирование может происходить в разных клетках человеческого тела. Поскольку эта система обнаруживает очень высокую частоту копирования у плодовых мушек, аналогичный успех в человеческих клетках позволил бы учёным вносить желаемые точные изменения генома по всему телу, особенно в клетках, зависящих от функции этого гена для нормального здоровья.

«Эти исследования дают чёткое доказательство принципа для нового типа генной терапии, при котором одна копия мутировавшего гена может быть восстановлена из частично неповреждённой второй копии того же гена», — сказал Бир, старший автор исследования.

Преимущества перед существующими методами

Эта стратегия восстановления мутировавшего гена в его нормальном контексте в геноме сильно отличается от текущих стратегий генной терапии, при которых суррогатная копия гена помещается в другое место в геноме и действует как грубая «заплатка».

«Этот метод восстанавливает достаточно активности гена, чтобы позволить пациенту кое-как функционировать. В таких случаях гены часто активируются в клетках, где они в норме должны быть молчащими, и могут не активироваться в других, где должны», — пояснил Бир.

Если высокая эффективность точного редактирования генов in vivo, обнаруженная CopyCatchers у мушек, может быть достигнута в человеческих клетках, то можно было бы лечить различные генетические нарушения, включая заболевания крови, болезни, влияющие на зрение или слух, и болезни, поражающие определённые органы (мышечная дистрофия, муковисцидоз, врождённые пороки сердца).

Результаты и перспективы

Исследователи обнаружили высокоэффективное копирование генетической информации в трёх генах, активных в разных тканях тела мушки (глаза, эпидермис и эмбриональные клетки). Однако эта способность копировать информацию с одной хромосомы на другую была менее эффективна в человеческих клетках (4–8% клеток), чем у мушек (30–50% клеток).

Тем не менее, в человеческих клетках, где с помощью CRISPR были сделаны специфические разрезы в одной хромосоме, исследователи строго установили, что другая хромосома может быть использована для репарации повреждения, что приводит к точному копированию генетического элемента в место разреза. Более того, меры по улучшению копирования у мушек также привели к усилению копирования в человеческих клетках, что предполагает, что дальнейшие исследования могут повысить эффективность генетической репарации in vivo у человека.

Как работает CopyCatcher

CopyCatchers сконструированы с учётом того, что клетки имеют две копии каждой хромосомы. В своём исходном местоположении CopyCatcher инактивирован и не может продуцировать красный флуоресцентный детекторный белок. Однако если CopyCatcher точно скопирует себя на другую хромосому, то он освобождается от ограничений, наложенных на исходный элемент, что приводит к флуоресценции клеток. Доля красных флуоресцирующих клеток в ткани является количественным показателем частоты точного редактирования CRISPR.

Поскольку клетки тела считались относительно устойчивыми к точному редактированию CRISPR, неожиданным стало то, что CopyCatchers выявили неожиданный потенциал клеток по всему телу (например, в глазах и эпидермисе) делать это.

В следующих запланированных экспериментах Ли и коллеги из лаборатории Бира будут использовать CopyCatchers и родственные системы для дальнейшей оптимизации эффективности корректирующего редактирования и разработки модельных систем для человеческих заболеваний, чтобы повысить эффективность этой технологии для применения в генной терапии.