Структурный дизайн нуклеаз цинковых пальцев может облегчить геномное редактирование

Исследование, проведенное в Государственной ключевой лаборатории биоконтроля Школы наук о жизни Университета Сунь Ятсена (Гуанчжоу, Китай) и опубликованное в майском номере 2011 года журнала Science China Life Sciences (выпуск 54), описало новый метод, использующий моделирование белков на основе силового поля FoldX, который можно применять при дизайне нуклеаз цинковых пальцев.

Нуклеазы цинковых пальцев (ZFNs) могут целенаправленно создавать двухцепочечный разрыв (DSB) в определенных локусах эукариотических геномов, что повышает эффективность нокаута или нокаута генов на несколько порядков. Следовательно, ZFN становятся перспективным новым инструментом для геномного редактирования. Однако большинство современных стратегий разработки ZFN с заданной специфичностью к последовательности требуют конструирования многочисленных тандемных массивов белков цинковых пальцев (ZFPs) и последующей масштабной in vitro проверки их аффинности и специфичности связывания с ДНК с использованием бактериального отбора. Трудозатраты и необходимый уровень экспертизы в этом сложном процессе ограничивают широкое внедрение технологии ZFN.

В этой работе была представлена эффективная стратегия компьютерного дизайна для снижения сложности получения функциональной пары ZFN. Доктор Хэ и профессор Чэнь использовали силовое поле FoldX для построения 3D-моделей 420 комплексов ZFP-ДНК на основе массивов цинковых пальцев, разработанных Консорциумом цинковых пальцев с использованием технологии OPEN (oligomerized pool engineering). С помощью нелинейного и линейного регрессионного анализа они обнаружили, что рассчитанная энергия связывания белка с ДНК в смоделированном комплексе ZFP-ДНК сильно коррелирует с частотой неудач, когда массив цинковых пальцев не проявляет значительной активности ZFN в клетках человека. В их моделях менее 5% трехпальцевых массивов с рассчитанной энергией связывания белка с ДНК ниже -13.132 ккал моль⁻¹ не смогли образовать активные ZFN в клетках человека. Напротив, для массивов с рассчитанной энергией связывания выше -5 ккал моль⁻¹ до 40% из них не проявляли активности ZFN в клетках человека. Таким образом, стратегия дизайна ZFN на основе силового поля FoldX может эффективно использоваться для снижения частоты неудач и повышения эффективности получения кастомизированных ZFN.

«Это новая стратегия для дизайна кастомизированных пар ZFN. Она позволяет нам предсказывать, будет ли кандидатная ZFN хорошо функционировать в клетках млекопитающих, путем расчета энергии связывания белка с ДНК в смоделированном комплексе», — отметил один из рецензентов журнала. «Авторы опробовали новый метод на основе силового поля FoldX, чтобы преодолеть сложный процесс скрининга при дизайне ZFN. Он оказался полезным для быстро развивающейся технологии ZFN», — прокомментировал другой рецензент.

Авторы работают в Государственной ключевой лаборатории биоконтроля Школы наук о жизни Университета Сунь Ятсена (Гуанчжоу, Китай). Группа в основном сосредоточена на изучении генетической основы хозяйственно-полезных признаков и устойчивости к заболеваниям у свиней с использованием комплексных стратегий, включая создание трансгенных или нокаутных моделей свиней.