Бактериальный фермент позволил исследователям сделать то, с чем не могла справиться даже популярная система генного редактирования CRISPR-Cas9 — целенаправленно изменить геном митохондрий, важнейших энергетических структур клеток.
Методика построена на основном редактировании (от «нуклеодидных оснований«), сверхточной процедуре генного редактирования. Она может позволить разработать новые способы изучения и даже лечения заболеваний, вызванных мутациями в митохондриальном геноме. Такие расстройства чаще всего передаются по материнской линии и ухудшают способность клетки генерировать энергию. Хотя в митохондриальном геноме содержится лишь небольшое количество генов по сравнению с геномом клеточного ядра, мутации в нём могут негативно влиять на нервную систему, мышцы и сердце. В некоторых случаях эти мутации становятся причиной смерти.
Ранее такие заболевания было трудно исследовать, потому что у учёных не было способа воссоздать такие же, связанные с митохондриальным геномом недуги у модельных животных. С помощью новой методики целевого редактирования митохондриального генома впервые удалось таких животных, наконец, создать. Теперь у учёных есть животные модели, на которых можно испытывать потенциальные лекарства от таких болезней.
С изобретением инструмента CRISPR-Cas9 учёным открылась возможность настраивать геномы практически любого организма по своему усмотрению. Для транспортировки фермента Cas9 в область ДНК, которую учёные хотят редактировать, этот инструмент использует РНК. Таким образом мы можем повлиять на ДНК ядра клетки, но не на митохондриальные ДНК, которые окружены мембраной.
В конце 2018 года химику и биологу Дэвиду Лю (David Liu) из Массачусетского технологического института пришло письмо: в Сиэтле группа во главе с микробиологом Джозефом Мугусом (Joseph Mougous) из Вашингтонского университета (University of Washington) обнаружила странный фермент. Это был токсин, создаваемый бактерией Burkholderia cenocepacia. Когда он входил в контакт с основанием цитозином цепочки ДНК, он преобразовал его в урацил. Поскольку урацила обычно нет в структуре ДНК, урацил начинает вести себя как тимин, и ферменты, которые копируют ДНК клетки, копируют урацил как тимин. То есть, нашёлся способ заменять цитозин на тимин в генных последовательностях.
Лю использовал аналогичные ферменты в основном редактировании, которое позволяет исследователям использовать компоненты CRISPR-Cas9 для замены одного основания ДНК на другое. Но определённые ферменты, цитидиндеаминазы, обычно действуют только на одноцепочечную ДНК. ДНК в клетках человека состоит из двух нитей, намотанных на «катушки»-гистоны. В прошлом Лю, чтобы «размотать» ДНК и получить одну цепочку, — это нужно, чтобы ферменты начали действовать, — полагался на фермент Cas9. Из-за этого метод зависел от РНК и поэтому не мог достичь митохондриального генома.
В отличие от этого, фермент DddA, который обнаружила команда Мугуса, мог воздействовать непосредственно на двухцепочечную ДНК. Лю и Мугус предположили, что с помощью DddA станет возможно редактировать митохондриальный геном.
Чтобы превратить DddA в инструмент редактирования генома, Лю сначала нужно было «приручить» фермент. Из-за способности модифицировать двухцепочечную ДНК он становится смертельно опасным. Если он выйдет из под контроля, то будет заменять каждый встреченный цитозин. Для избежания такого эффекта команда разделила фермент на две части, которые могли бы изменять ДНК только тогда, когда собраны вместе в правильной ориентации. Чтобы контролировать, какую последовательность ДНК будет модифицировать фермент, команда связывала каждую половину DddA с белками, которые были сконструированы для связывания со специфическими сайтами в геноме.
Сейчас этому открытию далеко до использования в клинической практике. Несмотря на то, что в первоначальных исследованиях обнаружилось лишь небольшое количество нецелевых изменений ДНК (это распространённый эффект при применении CRISPR-Cas9), необходимы дополнительные исследования на различных типах клеток.
В будущем техника может дополнить набор уже существующих методов редактирования ДНК и предоставить возможность предотвращать или даже лечить заболевания, связанные с митохондриальными нарушениями. В некоторых странах уже разрешена процедура, называемая митохондриальной заменой, при которой ядро яйцеклетки трансплантируется в донорскую яйцеклетку со здоровыми митохондриями.
