Генетики нашли три «переключателя» CRISPR/Cas9

Метод CRISPR/Cas9 основан на способности эндонуклеаз Cas9 распознавать попадающий в клетку патоген и разрывать его геном, защищая организм от заражения. Технология считается одной из наиболее перспективных, в частности, для лечения наследственных заболеваний, и уже тестируется на людях. Однако она имеет ряд недостатков: так, длительная активность Cas9 в теле пациента повышает риск нежелательных разрывов ДНК. При этом способов контролировать пространственную и временную активность нуклеазы не существует.

Прошлые исследования показали, что блокировать Cas9 могут мобильные генетические элементы (в том числе фаги) некоторых бактерий, а именно два семейства белков — Aca1 и Aca2. Оптимальным модельным организмом для их проверки оказался менингококк (Neisseria meningitidis): бактерии этого вида обладают самой эффективной системой CRISPR/Cas нужного ферментативного типа (IIC). В новой работе ученые из Торонтского университета и Массачусетского университета проверили способность Aca1 и Aca2 тормозить нуклеазы.

Для этого авторы помещали в геном дикого штамма N. meningitidis кассету с генами, кодирующими белки (бактерии Brackiella oedipodis), или пустую кассету. При этом ген acrIIC1_Boe был на 29 процентов идентичен гену менингококка acrIIC1_Nme. Результаты показали, что ингибиторы более чем в 10 тысяч раз сократили частоту изменений в целевой ДНК. В то же время ученые обнаружили новые семейства генов, связанных с возможными ингибиторами Cas9. Анализ трансформации N. meningitidis позволил им выявить два таких гена — acrIIC2_Nme и acrIIC3_Nme.

Путем аффинной хроматографии ученые in vitro подтвердили способности acrIIC1_Nme, acrIIC2_Nme и acrIIC3_Nme ингибировать NmeCas9. Наблюдения также показали, что смешивание ингибиторов с NmeCas9 в пропорции 1 к 1 блокировало примерно 50 процентов изменений мишени, тогда как смешивание 5 к 1 полностью тормозило активность нуклеазы. Примечательно, что ингибиторы почти не влияли на Cas9 стрептококка Streptococcus pyogenes (SpyCas9), которая часто используется для редактирования генома, — эта бактерия принадлежит к типу IIA.

Затем технологию испытали на культурах человеческих клеток. Эффективность ингибиторов подтвердилась, причем наиболее выраженным результат оказался в случае acrIIC3_Nme — в экспериментах на менингококке его действие было самым слабым. По итогам наблюдений исследователи не зафиксировали цитотоксичности ингибиторов (второй недостаток традиционной технологии CRISPR/Cas9). Моделирование также показало, что большинство существующих систем CRISPR/Cas чувствительно по меньшей мере к одному из найденных белков.

По мнению исследователей, полученные данные указывают на новые возможности для совершенствования технологии CRISPR/Cas9. Более точная модуляция активности эндонуклеаз может помочь в клинических исследованиях, цель которых — поиск новых стратегий борьбы с различными заболеваниями человека, например ВИЧ, серповидно-клеточной анемией и раком. До недавнего времени из-за риска нежелательных повреждений ДНК метод тестировался только на культурах клеток и не тестировался на живых организмах.