Разнообразные виды, от улиток до водорослей и амеб, производят программируемые ферменты, разрезающие ДНК, называемые фанзорами, и новое исследование ученых из Института исследований мозга Макговерна Массачусетского технологического института выявило тысячи из них. Фанцоры — это ферменты, управляемые РНК, которые можно запрограммировать на разрезание ДНК в определенных участках, подобно бактериальным ферментам, лежащим в основе широко используемой системы редактирования генов, известной как CRISPR. Недавно признанное разнообразие природных ферментов Фанзора, о котором сообщалось 27 сентября в журнале Science Advances , дает ученым обширный набор программируемых ферментов, которые могут быть адаптированы в новые инструменты для исследований или медицины.
«Биология, управляемая РНК, позволяет создавать программируемые инструменты, которые действительно просты в использовании. Поэтому чем больше мы сможем найти, тем лучше», — говорит научный сотрудник McGovern Омар Абудайе, который руководил исследованием вместе с научным сотрудником McGovern Джонатаном Гутенбергом.
CRISPR, древняя система защиты бактерий, продемонстрировала, насколько полезными могут быть ферменты, управляемые РНК, когда их адаптируют для использования в лаборатории. Инструменты редактирования генома на основе CRISPR, разработанные профессором Массачусетского технологического института и исследователем Макговерна Фэн Чжаном, Абудайе, Гутенбергом и другими, изменили способ, которым ученые модифицируют ДНК, ускоряя исследования и позволяя разрабатывать многие экспериментальные методы генной терапии.
С тех пор исследователи обнаружили в бактериальном мире и другие РНК-проводящие ферменты, многие из которых обладают особенностями, которые делают их ценными в лабораторных условиях. Открытие фанзоров, о чьей способности разрезать ДНК под управлением РНК было сообщено группой Чжана ранее в этом году, открывает новый рубеж биологии, управляемой РНК. Фанцоры были первыми подобными ферментами, обнаруженными в эукариотических организмах — широкой группе форм жизни, включая растения, животных и грибы, определяемых мембраносвязанным ядром, содержащим генетический материал каждой клетки. (Бактерии, у которых нет ядер, принадлежат к группе, известной как прокариоты.)
«Люди уже давно ищут интересные инструменты в прокариотических системах, и я думаю, что это было невероятно плодотворно», — говорит Гутенберг. «Эукариотические системы на самом деле представляют собой совершенно новую игровую площадку для работы».
Одна из надежд, говорят Абудайе и Гутенберг, заключается в том, что ферменты, которые естественным образом развились в эукариотических организмах, могут лучше подходить для безопасного и эффективного функционирования в клетках других эукариотических организмов, включая человека. Группа Чжана показала, что ферменты Фанцора могут быть созданы для точного разрезания определенных последовательностей ДНК в клетках человека. В новой работе Абудайе и Гутенберг обнаружили, что некоторые фанзоры могут воздействовать на последовательности ДНК в клетках человека даже без оптимизации. «Тот факт, что они весьма эффективно работают в клетках млекопитающих, был действительно фантастическим», — говорит Гутенберг.
До нынешнего исследования среди эукариотических организмов были обнаружены сотни фанзоров. Благодаря обширному поиску в генетических базах данных под руководством сотрудника лаборатории Джастина Лима команда Гутенберга и Абудайе теперь расширила известное разнообразие этих ферментов на порядок.
Среди более чем 3600 фанзоров, обнаруженных командой у эукариот и вирусов, которые их заражают, исследователи смогли идентифицировать пять различных семейств ферментов. Сравнивая точный состав этих ферментов, они обнаружили доказательства долгой эволюционной истории.
Фанзоры, вероятно, произошли от бактериальных ферментов, разрезающих ДНК под управлением РНК, называемых TnpBs. Фактически, именно генетическое сходство Фанзора с этими бактериальными ферментами впервые привлекло внимание как группы Чжана, так и команды Гутенберга и Абудайе.
Эволюционные связи, которые проследили Гутенберг и Абудайе, позволяют предположить, что эти бактериальные предшественники фанзоров, вероятно, не раз проникали в эукариотические клетки, инициируя их эволюцию. Некоторые из них, вероятно, были переданы вирусами, тогда как другие могли быть занесены симбиотическими бактериями. Исследование также предполагает, что после того, как они были поглощены эукариотами, ферменты развили функции, подходящие для их новой среды, например, сигнал, который позволяет им проникать в ядро клетки, где они имеют доступ к ДНК.
С помощью генетических и биохимических экспериментов, проведенных аспирантом биологической инженерии Кайи Цзян, команда определила, что у фанзоров развился активный сайт разрезания ДНК, который отличается от такового у их бактериальных предшественников. По-видимому, это позволяет ферменту более точно разрезать свою целевую последовательность. Предки TnpB при нацеливании на последовательность ДНК в пробирке активируются и разрезают другие последовательности в пробирке; У фанзоров нет этой беспорядочной деятельности. Когда они использовали РНК-гид, чтобы направить ферменты на разрезание определенных участков генома человеческих клеток, они обнаружили, что некоторые фанзоры способны разрезать эти целевые последовательности с эффективностью примерно от 10 до 20 процентов.
В ходе дальнейших исследований Абудайе и Гутенберг надеются, что с помощью Fanzors можно будет разработать множество сложных инструментов редактирования генома. «Это новая платформа, и у нее много возможностей», — говорит Гутенберг.
«Открытие всего эукариотического мира для этих типов РНК-управляемых систем даст нам много возможностей для работы», — добавляет Абудайе.
No comments:
Post a Comment