Биологи научились "редактировать" ДНК

Учёные из исследовательского института Скриппса (The Scripps Research Institute) нашли способ "редактировать" ДНК с рекордной эффективностью.

Прорыв связан с набором ДНК-связывающих белков TALE, которые биологи всё чаще используют, чтобы включить, выключить, удалить, добавить или даже переписать специфические гены в ходе научных экспериментов, а также для потенциального применения в биотехнологиях и медицине, например, для лечения генетических заболеваний.

Методы редактирования ДНК, основанные на манипуляциях с белками TALE, ранее считались применимыми лишь к малой части возможной последовательности ДНК у животных и растений. Новое исследование подтвердило, что эти ограничения можно снять.

"Это один из самых популярных инструментов в биологии, и теперь мы нашли способ выделять его из любых последовательностей ДНК", – говорит Карлос Барбас III (Carlos F. Barbas III), профессор кафедры молекулярной биологии химического факультета института Скриппса.

О своих выводах Барбас и его команда сообщили в статье (PDF-документ), опубликованной журнале Nucleic Acids Research.

Молекулярные биологи давно грезили возможностью манипулировать ДНК в составе живых клеток – теперь это становится реальностью. Изменённые на основе TALE белки были представлены всего несколько лет назад: возможно, это самый лёгкий и точный инструмент редактирования ДНК, известный науке.

Изменения основаны на природных TALE-протеинах, которые производятся некоторыми бактериями, поражающими растения. Эти природные белки помогают бактериям подорвать организм растения путём связывания растительной ДНК и повышения активности защитных генов вторгающейся бактерии.

Учёные обнаружили, что они легко могут спроектировать захват ДНК сегмента белками TALE в интересующей последовательности ДНК. Обычно они присоединяют ДНК-связывающий сегмент к другому сегменту белка, который может выполнять некую требуемую функцию на конкретном участке: например, выделять фермент, способный прорезать ДНК. В лаборатории Барбаса на основе редактирования белков уже разработаны тысячи мощных белков TALE.

Тем не менее, у основанного на TALE редактировании ДНК были замечены существенные недостатки. Практически все обнаруженные природные белки TALE имели последовательность ДНК, начинающуюся с транскрипции нуклеозидов тимидина, обозначенного буквой Т в четырёхзначном коде ДНК. Структурные исследования привели к выводу, что белки TALE не могут быть связаны с ДНК без начального Т. Молекулярные биологи считали, что это "Т-ограничение" применимо к любому искусственному белку TALE.

Но это не заставило учёных отказаться от идеи найти более широкое применение белкам TALE. Брайан Лэмб (Brian M. Lamb), научный сотрудник лаборатории Барбаса, использовал метод "направленной эволюции", разработанный другим сотрудником, Эндрю Мерсером (Andrew C. Mercer).

Во-первых, Лэмб сгенерировал огромную библиотеку новых белков TALE, способных хаотично менять структуру – предположительно, чтобы захватить начальные нуклеозиды. Затем он провёл серию тестов над новыми TALE-соединениями, чтобы выяснить, которые из них функционируют адекватно, даже если их мишень не имеет Т-нуклеозидов в последовательности ДНК.

Таким образом, Лэмб выделил несколько новых TALE-белков, которых не сдерживает "Т-ограничение". Одни предпочитают связываться с ДНК, начинающимися не с Т-нуклеозидов, а с G-гуанозинов. Другие могут связываться с любым из четырёх нуклеозидов последовательности ДНК. "По сути, мы отменили "Т-ограничение", – говорит Лэмб.

"Это означает, что количественные и качественные показатели изменений, которые мы можем совершить с помощью TALE-белков, резко пошли вверх", — считает Барбас.

Он и его команда планируют продолжить работу по использованию неограниченных изменений, основанных на TALE-белках, и сделать новый метод инструментом для лечения генов. Отмена "Т-ограничения" должна положительно повлиять на развитие молекулярной биологии, биотехнологии, медицины стволовых клеток, нанотехнологии и ДНК-оригами: любая отрасль, которая требует манипуляций ДНК в живых клетках, получает выгоду от этого прорыва.

"Потенциальных способов применения этой технологии гораздо больше, чем можно вообразить", — убеждён Барбас.