Вчені представили принципово новий механізм біологічного програмування

Вчені Arc Institute відкрили механізм мостової рекомбінази, революційний інструмент, який дозволяє повністю програмувати перегрупування ДНК.

Їх знахідка, детально описана в нещодавній публікації Nature, є першою рекомбіназою ДНК, яка використовує некодуючу РНК для специфічного вибору послідовності цільових і донорних молекул ДНК. Ця мостова РНК є програмованою, що дозволяє користувачеві вказати будь-яку бажану геномну цільову послідовність і будь-яку донорську молекулу ДНК, яку потрібно вставити.

Дослідження було розроблено у співпраці з лабораторіями Сільвани Конерманн, головного дослідника Інституту Арк і доцента біохімії Стенфордського університету, і Хіроші Нішімасу, професора структурної біології Токійського університету.

Нова ера генетичного програмування

«Система мостової РНК є принципово новим механізмом для біологічного програмування», — сказав доктор Патрік Хсу, старший автор дослідження та головний дослідник Arc Institute та доцент кафедри біоінженерії Каліфорнійського університету в Берклі. «Мостова рекомбінація може універсально модифікувати генетичний матеріал за допомогою вставки, вирізання, інверсії тощо, створюючи текстовий процесор для живого геному поза CRISPR».

Система мостової рекомбінації походить від елементів послідовності вставки 110 (IS110), одного з незліченних типів пересувних елементів – або «стрибаючих генів», – які вирізають і вставляють себе для переміщення всередині та між мікробними геномами. Транспоновані елементи зустрічаються в усіх формах життя та перетворилися на професійні машини для маніпулювання ДНК, щоб вижити. Елементи IS110 дуже мінімальні, складаються лише з гена, що кодує фермент рекомбіназу, плюс фланкуючі сегменти ДНК, які досі залишалися загадкою.

Розширений механізм мостової РНК

Лабораторія Hsu виявила, що коли IS110 вирізається з геному, некодуючі кінці ДНК з’єднуються разом, утворюючи молекулу РНК – мостову РНК – яка згортається у дві петлі. Одна петля зв’язується з самим елементом IS110, тоді як інша петля зв’язується з цільовою ДНК, куди буде вставлений елемент. Місткова РНК є першим прикладом біспецифічної направляючої молекули, що визначає послідовність як цільової, так і донорної ДНК через взаємодії спарювання основ.

Кожна петля мостової РНК незалежно програмується, що дозволяє дослідникам змішувати та поєднувати будь-які цільові та донорські послідовності ДНК, що цікавлять. Це означає, що система може вийти далеко за межі своєї природної ролі, яка вставляє сам елемент IS110, натомість дозволяючи вставляти будь-який бажаний генетичний вантаж, як-от функціональну копію несправного гена, що викликає хворобу, у будь-яке геномне місце. У цій роботі команда продемонструвала понад 60% ефективність введення бажаного гена в кишкову паличку з понад 94% специфічністю для правильного розташування генома.

«Ці програмовані місткові РНК відрізняють IS110 від інших відомих рекомбіназ, у яких відсутній РНК-компонент і їх неможливо запрограмувати», — сказав один із провідних авторів Нік Перрі, аспірант біоінженерії Каліфорнійського університету в Берклі. «Це так, ніби bridge RNA був універсальним адаптером живлення, який робить IS110 сумісним з будь-якою розеткою».

Спільні дослідження та майбутні наслідки

Відкриття лабораторії Хсу доповнено їхньою співпрацею з лабораторією доктора Хіроші Нішімасу в Токійському університеті, також опубліковано 26 червня в Nature. Лабораторія Nishimasu використовувала кріоелектронну мікроскопію для визначення молекулярних структур комплексу РНК рекомбінази-містка, пов’язаного з цільовою та донорною ДНК, послідовно просуваючись через ключові етапи процесу рекомбінації.

З подальшим дослідженням і розробкою механізм моста обіцяє започаткувати третє покоління РНК-керованих систем, виходячи за межі ДНК і механізмів розрізання РНК CRISPR і РНК-інтерференції (RNAi), щоб запропонувати уніфікований механізм для програмованої перебудови ДНК. Критично важливий для подальшого розвитку системи рекомбінації мостів для дизайну геному ссавців, рекомбіназа містка з’єднує обидва ланцюги ДНК, не вивільняючи розрізані фрагменти ДНК – обходячи ключове обмеження сучасних сучасних технологій редагування геному.

«Механізм мостової рекомбінації вирішує деякі з найбільш фундаментальних проблем, з якими стикаються інші методи редагування геному», — сказав один із керівників дослідження Метью Даррант, старший науковий співробітник Arc. «Здатність програмовано переставляти будь-які дві молекули ДНК відкриває двері для прориву в дизайні геному».