Мітохондрії. Художня інтерпретація
Бактеріальний фермент дозволив дослідникам зробити те, з чим не могла впоратися навіть популярна система генного редагування CRISPR-Cas9 - цілеспрямовано змінити геном мітохондрій, найважливіших енергетичних структур клітин.
Методика побудована на основному редагуванні (від «нуклеодидних підстав»), надточній процедурі генного редагування. Вона може дозволити розробити нові способи вивчення і навіть лікування захворювань, викликаних мутаціями в мітохондріальному геномі. Такі розлади найчастіше передаються по материнській лінії і погіршують здатність клітини генерувати енергію. Хоча в мітохондріальному геномі міститься лише невелика кількість генів порівняно з геномом клітинного ядра, мутації в ньому можуть негативно впливати на нервову систему, м'язи і серце. У деяких випадках ці мутації стають причиною смерті.
Раніше такі захворювання було важко досліджувати, тому що у вчених не було способу відтворити такі ж, пов'язані з мітохондріальним геномом недуги у модельних тварин. За допомогою нової методики цільового редагування мітохондріального геному вперше вдалося таких тварин, нарешті, створити. Тепер у вчених є тваринні моделі, на яких можна відчувати потенційні ліки від таких хвороб.
З винаходом інструменту CRISPR-Cas9 науковцям відкрилася можливість налаштовувати геноми практично будь-якого організму на свій розсуд. Для транспортування ферменту Cas9 в область ДНК, яку вчені хочуть редагувати, цей інструмент використовує РНК. Таким чином ми можемо вплинути на ДНК ядра клітини, але не на мітохондріальні ДНК, які оточені мембраною.
Наприкінці 2018 року хіміку і біологу Девіду Лю (David Liu) з Массачусетського технологічного інституту прийшов лист: у Сіетлі група на чолі з мікробіологом Джозефом Мугусом (Joseph Mougous) з Вашингтонського університету (University of Washington) виявила дивний фермент. Це був токсин, створюваний бактерією Burkholderia cenocepacia. Коли він входив у контакт з підставою цитозином ланцюжка ДНК, він перетворив його на урацил. Оскільки урацилу зазвичай немає в структурі ДНК, урацил починає поводитися як тимін, і ферменти, які копіюють ДНК клітини, копіюють урацил як тимін. Тобто, знайшовся спосіб замінювати цитозин на тимін в генних послідовностях.
Лю використовував аналогічні ферменти в основному редагуванні, яке дозволяє дослідникам використовувати компоненти CRISPR-Cas9 для заміни однієї підстави ДНК на іншу. Але певні ферменти, цитидіндеамінази, зазвичай діють тільки на одноланцюжкову ДНК. ДНК у клітинах людини складається з двох ниток, намотаних на «котушки» - гістони. У минулому Лю, щоб «розмотати» ДНК і отримати один ланцюжок, - це потрібно, щоб ферменти почали діяти, - покладався на фермент Cas9. Через це метод залежав від РНК і тому не міг досягти мітохондріального геному.
На відміну від цього, фермент DddA, який виявила команда Мугуса, міг впливати безпосередньо на двячіпочкову ДНК. Лю і Мугус припустили, що за допомогою DddA стане можливо редагувати мітохондріальний геном.
Щоб перетворити DddA на інструмент редагування генома, Лю спочатку потрібно було «приручити» фермент. Через здатність модифікувати дволіпочкову ДНК він стає смертельно небезпечним. Якщо він вийде з під контролю, то буде замінювати кожен зустрінутий цитозин. Щоб уникнути такого ефекту, команда розділила фермент на дві частини, які могли б змінювати ДНК тільки тоді, коли зібрані разом у правильній орієнтації. Щоб контролювати, яку послідовність ДНК буде модифікувати фермент, команда пов'язувала кожну половину DddA з білками, які були сконструйовані для зв'язування зі специфічними сайтами в геномі.
Зараз цьому відкриттю далеко до використання в клінічній практиці. Незважаючи на те, що в первинних дослідженнях виявилася лише невелика кількість нецільових змін ДНК (це поширений ефект при застосуванні CRISPR-Cas9), необхідні додаткові дослідження на різних типах клітин.
У майбутньому техніка може доповнити набір вже існуючих методів редагування ДНК і надати можливість запобігати або навіть лікувати захворювання, пов'язані з мітохондріальними порушеннями. У деяких країнах вже дозволена процедура, звана мітохондріальною заміною, при якій ядро яйцеклітини трансплантується в донорську яйцеклітину зі здоровими мітохондріями.