Белок, созданный ИИ, пробуждает «спящие» гены по одному

Объединив технологию CRISPR с белком, спроектированным с помощью искусственного интеллекта, можно «разбудить» отдельные неактивные гены, отключив химические «выключатели», которые их подавляют. Исследователи из Медицинской школы Вашингтонского университета в Сиэтле описывают этот метод в журнале Cell Reports.

Этот подход позволит учёным понять роль отдельных генов в нормальном росте и развитии клеток, старении и таких заболеваниях, как рак, — говорит Шири Леви, ведущий автор статьи.

«Красота этого подхода в том, что мы можем безопасно повышать активность конкретных генов, чтобы влиять на работу клетки, не изменяя геном навсегда и не вызывая непреднамеренных ошибок», — отмечает Леви.

Проектом руководила Ханнеле Руохола-Бейкер. Белок, спроектированный ИИ, был разработан в Институте дизайна белков UW Medicine под руководством Дэвида Бейкера.

Новая техника контролирует активность генов, не изменяя последовательность ДНК в геноме, воздействуя на химические модификации, которые помогают упаковывать гены в хромосомах и регулируют их активность. Поскольку эти модификации происходят не в самих генах, а «над» ними, они называются эпигенетическими. Учёных особенно интересуют эпигенетические маркеры, так как они не только влияют на активность генов, но и накапливаются со временем, способствуя старению, и могут передаваться потомству.

В своей работе Леви и коллеги сосредоточились на белковом комплексе PRC2, который «заглушает» гены, присоединяя небольшую молекулу (метильную группу) к гистонам — белкам упаковки ДНК. Эти метильные группы необходимо обновлять, поэтому если заблокировать PRC2, подавленные им гены можно «разбудить».

PRC2 активен на протяжении всего развития, но играет особенно важную роль в первые дни жизни эмбриона. PRC2 можно заблокировать химически, но такие методы неточны и влияют на его функцию во всём геноме. Целью исследователей было найти способ блокировать PRC2 так, чтобы затрагивался только один ген за раз.

Для этого Дэвид Бейкер и его коллеги использовали ИИ, чтобы создать белок, который связывается с PRC2 и блокирует его способность модифицировать гистоны. Затем Руохола-Бейкер и Леви соединили этот спроектированный белок с отключённой версией белка Cas9 (так называемым dCas9, «мёртвым» Cas9).

В системе CRISPR-Cas9 белок Cas9 использует РНК как «адресную метку» для точного наведения на конкретный участок генома. В этом эксперименте режущая функция Cas9 была отключена, поэтому последовательность ДНК не изменялась. Однако функция Cas9 как «транспортного средства» для доставки груза в нужное место осталась активной. Грузом в конструкции dCas9-РНК стал белок, созданный ИИ для блокировки PRC2.

В новой работе исследователи показали, что с помощью этой техники им удалось:

• Заблокировать PRC2 и выборочно включить четыре разных гена.
• Трансдифференцировать индуцированные плюрипотентные стволовые клетки в клетки-предшественники плаценты, просто включив два гена.
• Определить местоположение специфических регуляторных областей, контролируемых PRC2, откуда активируются отдельные гены.

В частности, они идентифицировали промоторную область (TATA-бокс) для гена TBX18. Оказалось, что эта важная промоторная область находится более чем в 500 парах оснований от гена, хотя принято считать, что такие области расположены близко — в пределах 30 пар оснований.

«С помощью этих двух достижений — белков, спроектированных ИИ, и технологии CRISPR — мы теперь можем находить точные эпигенетические метки, важные для экспрессии генов, изучать правила и использовать их для контроля функций клеток», — заключает Руохола-Бейкер.