Световой «CRISPR» запускает точное редактирование генов и сверхбыстрое восстановление ДНК
В серии экспериментов с использованием линий раковых клеток человека ученые из Johns Hopkins Medicine говорят, что они успешно использовали свет в качестве триггера для быстрого точного разрезания геномного материала с использованием молекулярного скальпеля, известного как CRISPR, и наблюдают, как специализированные клеточные белки восстанавливают точное место, где был вырезан ген.
Результаты экспериментов, опубликованные 11 июня в журнале Science , не только раскрывают новые подробности процесса репарации ДНК, но также, по мнению исследователей, ускоряют и помогают понять активность ДНК, которая обычно вызывает старение и многие виды рака.
«Наша новая система редактирования генов позволяет целенаправленно вырезать ДНК в течение нескольких секунд после активации. При использовании предыдущих технологий редактирование генов может занять гораздо больше времени — даже часов», — говорит доктор наук Ян Ян, доктор философии, член Университета Джона Хопкинса. Медицинская исследовательская группа.
Мощный инструмент CRISPR в последние годы позволил ученым легко изменять или «редактировать» последовательности ДНК и изменять функции генов, чтобы ускорить темпы исследований в условиях, связанных с генами.
Адаптированный из естественной системы редактирования генов, обнаруженной у бактерий, CRISPR использует небольшие последовательности генетического материала, называемого РНК, в качестве своего рода руководства, которое закодировано, чтобы соответствовать и связываться с определенной последовательностью геномной ДНК в клетке. Молекула CRISPR также содержит фермент Cas9, который действует как скальпель для вырезания последовательности ДНК. Затем клетка использует свои собственные ферменты и белки для восстановления нарезанной ДНК, часто добавляя последовательности ДНК, которые ученые вводят в клетку.
Лю говорит, что изучению процесса репарации ДНК мешала неспособность повредить ДНК, например, с помощью CRISPR, быстрым, точным и «по требованию».
Для новых экспериментов ученые модифицировали комплекс CRISPR-Cas9, создав светочувствительную молекулу РНК, которая позволяет комплексу CRISPR разрезать геномную ДНК в живых клетках только при воздействии определенной длины волны света.
«Преимущество нашей методики в том, что исследователи могут заставить механизм CRISPR найти свою цель, не преждевременно сокращая ген, сдерживая его действие до воздействия света», — говорит доктор философии Джонс Хопкинс. кандидат Роджер Зоу, также член исследовательской группы. «Это позволяет исследователям гораздо лучше контролировать, где именно и когда вырезается ДНК», — добавляет он.
Другие исследовательские группы экспериментировали как с лекарственными средствами, так и с активацией света, чтобы контролировать время CRISPR, говорит Таекджип Ха, доктор философии, заслуженный профессор Bloomberg в области биофизики и биофизической химии, биофизики и биомедицинской инженерии в Университете Джона Хопкинса и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза , Эксперименты его команды отличаются тем, что улучшают точные сроки сокращений CRISPR и исследуют, как быстро белки восстанавливают повреждение ДНК.
Для текущего исследования команда Джона Хопкинса во главе с доктором философии Ха и Бин Ву, доцентом биофизики и биофизической химии в Медицинской школе Университета Джона Хопкинса, подала электрический импульс культурам эмбриональных клеток почек человека и клетки рака кости, которые открыли поры в клеточной мембране и позволили комплексу CRISPR с молекулой активированной светом РНК скользить в клетки. Затем ученые подождали 12 часов, пока комплекс CRISPR свяжется с целевым участком в геномной ДНК.
Когда они освещали клетки, они отслеживали количество времени, которое потребовалось комплексу CRISPR, чтобы сделать разрез.
Команда обнаружила, что в течение 30 секунд после освещения фонарей комплекс CRISPR сократил более 50 процентов своих целей.
Для дальнейшего изучения сроков восстановления ДНК ученые Джона Хопкинса проследили, когда белки, участвующие в восстановлении ДНК, зацепились за срезы ДНК. Они определили, что восстановительные белки начали свою работу в течение двух минут после активации CRISPR, и восстановление было завершено уже через 15 минут.
«Мы показали, что активируемая светом генная резка очень быстрая, и она может найти широкое применение в биомедицинских исследованиях». говорит Ха. «Выявление сроков срезов гена CRISPR позволяет нам более точно видеть биологические процессы». Ха и команда Джона Хопкинса назвали эту технику «очень быстрой CRISPR по требованию».
Ха также отметил, что активация светом обеспечивает лучший контроль местоположения, чем лекарства, которые могут широко распространяться в клетке.
Команда Джона Хопкинса также использовала микроскопы высокого разрешения, чтобы «увидеть», как восстанавливающие белки взаимодействуют с участком разреза CRISPR в живых клетках.
Они использовали эти микроскопы и сфокусированный луч света, чтобы показать, что они могут активировать разрезание CRISPR одной из двух копий генов, которые обычно находятся в клетках человека. Эта способность, по их словам, дает возможность использовать CRISPR для изучения и в конечном итоге лечения состояний, связанных только с одной ненормальной копией гена, таких как болезнь Хантингтона.
«Существует большое исследовательское сообщество, заинтересованное в изучении повреждения ДНК и его воздействия», — говорит Ха. «Технология, которую мы разработали, хорошо подходит для изучения этого».
Ха отмечает, что ученые обычно используют ионизирующую радиацию или химические вещества для изучения повреждений ДНК. Хотя эти методы также могут быть быстрыми, говорит он, они не являются специфическими для определенного геномного места.
Команда подала предварительный патент на технологию CRISPR, описанную в этом исследовании.
Источник истории:
Материалы предоставлены Johns Hopkins Medicine . Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.
Связанные мультимедиа :
Ссылка на журнал :
- Ян Лю, Роджер С. Цзоу, Шуайсинь Хе, Юта Нихонгаки, Сяогуан Ли, Шива Разави, Бин Ву, Таэкджип Ха. Очень быстрый CRISPR по запросу . Наука , 2020; 368 (6496): 1265 DOI: 10,1126 / science.aay8204
