Учёные создали первый точный редактор митохондриальной ДНК

Учёные разработали первый инструмент для точного редактирования генов внутри митохондрий — энергетических станций клетки. В отличие от популярной системы CRISPR/Cas9, которая не работает с митохондриальной ДНК, новый CRISPR-независимый инструмент позволяет вносить целенаправленные изменения во второй, меньший геном клетки.

Исследование, опубликованное 8 июля 2020 года в журнале Nature, — результат сотрудничества трёх научных групп под руководством Джозефа Мугуса (Университет Вашингтона), Дэвида Лю (Гарвардский университет и Broad Institute) и Вамси Мутхи (Массачусетская больница общего профиля и Broad Institute).

Проблема митохондриальных болезней

Мутации в митохондриальной ДНК могут вызывать ряд редких и малоизученных заболеваний. До сих пор учёные могли лишь удалять всю ДНК митохондрий в лабораторных моделях, но не могли корректировать отдельные мутации, оставляя остальной геном нетронутым. Новый инструмент, хотя и не готов для применения у людей, позволит создавать животные модели таких заболеваний, что раньше было крайне сложно.

Необычный белок из бактериальной войны

Открытие началось с изучения бактериальных токсинов в лаборатории Мугуса. Постдок Маркос де Мораэс исследовал необычную деаминазу — фермент, вызывающий мутации путём удаления азотистых оснований из «букв» ДНК или РНК. В отличие от большинства деаминаз, работающих с одноцепочечной ДНК или РНК, этот белок неожиданно проявил активность в отношении двухцепочечной ДНК, разрушая её в местах редактирования.

Создание редактора

Лаборатория Лю, уже имевшая опыт создания редакторов оснований для ядерной ДНК, увидела в этом решении обходной путь для митохондрий. Проблема CRISPR/Cas9 заключалась в невозможности доставить направляющую РНК (guide RNA) внутрь митохондрий. Новая деаминаза, работающая напрямую с двухцепочечной ДНК, не требовала такой РНК.

Однако природный токсин бесконтрольно разрушал ДНК. Чтобы «приручить зверя», команда разделила белок на две безвредные половины. Каждая половина отдельно не функционировала. Затем их присоединили к программируемым ДНК-связывающим белкам (не требующим направляющей РНК). Эти белки доставляли половинки к заданному участку митохондриальной ДНК. Только воссоединившись на мишени, половинки восстанавливали активность и производили точное редактирование.

Результаты и перспективы

Лаборатория Лю внесла точные изменения в конкретные митохондриальные гены, а группа Мутхи подтвердила, что редактирование прошло «очень чисто», без нарушения общей функции митохондрий.

Созданный редактор оснований может преобразовывать одну из четырёх «букв» ДНК в другую. Учёные надеются найти другие деаминазы, чтобы создать инструменты для большего спектра изменений в митохондриальной ДНК.