Новая эра редактирования митохондриального генома началась

Исследователи из Центра геномной инженерии Института фундаментальных наук разработали новую платформу для редактирования генов под названием TALED (transcription activator-like effector-linked deaminases). TALED — это редакторы оснований, способные осуществлять конверсию оснований A-to-G в митохондриях. Это открытие стало кульминацией многолетнего пути к лечению генетических заболеваний человека.

Хотя редактирование генов было в основном успешным в ядерном геноме, учёные не могли редактировать митохондрии, которые имеют собственный геном. Митохондрии — это важные органеллы, служащие энергетическими фабриками клеток. Мутации в их ДНК вызывают серьёзные наследственные заболевания, связанные с энергетическим метаболизмом.

Проблема митохондриальных заболеваний

  • Директор Центра Ким Джин-Су объяснил, что существуют опасные наследственные болезни из-за дефектов митохондриальной ДНК (мтДНК). Например, наследственная оптическая нейропатия Лебера (LHON), вызывающая внезапную слепоту, вызвана точковой мутацией в мтДНК.
  • Другое заболевание — MELAS (митохондриальная энцефаломиопатия с лактат-ацидозом и инсультоподобными эпизодами).
  • Митохондриальный геном наследуется по материнской линии. Существует 90 известных патогенных точковых мутаций в мтДНК, которые в совокупности затрагивают как минимум 1 из 5000 человек.
  • Существующие инструменты, такие как CRISPR-Cas, неприменимы для митохондрий, поскольку направляющая РНК не может проникнуть в органеллу.
  • Отсутствуют животные модели этих болезней, так как невозможно создать необходимые митохондриальные мутации.

Прорыв с TALED

В 2020 году были созданы редакторы оснований DdCBEs для конверсии C-to-T в митохондриях. Однако эта технология была ограничена (в основном мотивом TC) и могла исправить только 9 из 90 (10%) патогенных мутаций. Конверсия A-to-G считалась невозможной.

Первый автор работы Чо Сун-Ик заявил: «Мы смогли создать новую платформу TALED, которая достигает конверсии A-to-G». Эта способность одна может исправить 39 (43%) из 90 известных патогенных мутаций.

Как работает TALED

TALED создан путём слияния трёх компонентов:

  1. TALE — нацеливается на определённую последовательность ДНК.
  2. TadA8e — аденин-дезаминаза для конверсии A-to-G.
  3. DddAtox — цитозин-дезаминаза, делающая двуцепочечную ДНК доступной для TadA8e.

Уникальность TALED в том, что TadA8e, известный своей специфичностью к одноцепочечной ДНК, смог редактировать двуцепочечную ДНК (дцДНК) митохондрий. Учёные предполагают, что DddAtox временно разъединяет цепи дцДНК, создавая окно для быстродействующего фермента TadA8e.

Результаты и перспективы

Исследователи продемонстрировали технологию, создав клон клеток с заданными правками мтДНК. TALED не показали цитотоксичности, не вызывали нестабильности мтДНК и имели минимальные нецелевые эффекты.

Планы на будущее включают повышение эффективности и специфичности TALED для коррекции болезнетворных мутаций мтДНК у пациентов. Также ведутся работы по адаптации TALED для редактирования хлоропластной ДНК у растений.

Научный коммуникатор Института Уильям И. Сух заявил: «Я считаю, что значимость этого открытия сравнима с изобретением синего светодиода, отмеченного Нобелевской премией в 2014 году. Ожидается, что TALED откроет новую эру геномной инженерии».

Исследование опубликовано в журнале Cell.