Наследственную информацию можно менять с помощью бактериального токсина

Nature опубликовал исследование команды микробиолога Джозефа Могуса, которое свидетельствует: можно редактировать митохондриальную базу ДНК при помощи фермента цитидин-дезаминазы (DddA) без применения технологии редактирования генома CRISPR-Cas9.

Еще в 2018 году исследовательская группа Могуса обнаружила необычный энзим — токсин, вырабатываемый бактерией Burkholderia cenocepacia, цитидин-дезаминазу. При его помощи ученые смогли осуществить прицельные изменения в геномах митохондрий, чего ранее не могла достичь методика CRISPR-Cas9.

За счет CRISPR-Cas9 ученые смогли настраивать геном по своему усмотрению почти в каждом организме, на котором проводился тест. Настройка использовала нить РНК, чтобы провести энзим Cas9 в участок, который они хотели изменить в ДНК. Однако этот метод был действенен только для ДНК в клеточном ядре: из-за того что митохондрии окружены мембранами, исследователям еще не удавалось доставить в них РНК.

Новый метод с использованием фермента DddA основан на технике «редактирования оснований». Он базируется на сверхточном редактировании генов и может помочь исследователям в развитии новых способов изучения генома, а также в лечении заболеваний, вызванных его мутацией и переданных по наследству: диабет, глухота, нейропатия, атаксия и пр. Такие болезни передаются по материнской линии, повреждают нервную систему, мышцы и могут быть смертельно опасны для тех, кто их наследует.

По мнению Валерия Ильинского, сооснователя компании Genotek, проблема практического применения подобного метода заключается в том, что существуют более простые и менее дорогие способы лечения этих заболеваний.

«Представьте, что гипотетически возникла задача придумать способ отрезать палец. Его можно отрезать очень дешево с помощью ножа или скальпеля. Отрезать с помощью ножа стоит 100 руб., но ученые думают-думают и придумывают способ отрезать его не с помощью ножа, а с помощью редактирования генома. Это стоит не 100 руб., а 100 млрд руб. Хорошо, что придумали, но палец все равно надежнее отрезать с помощью ножа, а не супердорого с помощью редактирования. Тут примерно такой же подход: менять митохондрию намного дешевле, чем ее редактировать <...> Существует множество наследственных заболеваний, которые не лечатся вообще, и редактирование генома потенциально может позволить лечить эти болезни, но нужно понимать, что это далеко не единственный способ справляться с ними. Для меня это интересная научная работа и хороший эксперимент, который привел к интересным результатам, но я не вижу его практического и массового применения»,— считает Валерий Ильинский.

Биохимик Дэвид Лиу из Института Броуд (Массачусетский технологический институт) для редактирования оснований использовал систему CRISPR–Cas9 с белками цитидин-дезаминазы, чтобы заменить одно азотистое основание ДНК на другое. Однако такие энзимы нормально функционируют только в одноцепочечной ДНК, а в клетках человека она состоит из двух цепочек, переплетенных спиралевидно. Биолог использовал Cas9, чтобы разрушить ДНК и создать область размотанной одноцепочечной ДНК, с которой белки Cas9 смогут взаимодействовать. Зависимость от цепи РНК, которая направляет Cas9, не дает возможности достичь митохондриального генома.

Фермент цитидин-дезаминазы (DddА), который нашла команда Джозефа Могуса, воздействует на двухцепочечную ДНК, не вызывая ее разрыва. Это делает его особенно подходящим для редактирования митохондриального генома, в котором отсутствуют эффективные механизмы для восстановления разрывов двухцепочечной ДНК.

Однако чтобы фермент DddA стал геном-редактирующей настройкой, ученым необходимо научиться контролировать его активность: из-за способности модифицировать двухцепочечную ДНК он становится потенциально опасен, так как может реагировать практически с любым участком ДНК и приводить к мутациям в геноме. Также цитидин-дезаменаза токсична для клеток млекопитающих.

Для решения этой проблемы исследователи разделили фермент на две неактивные части, которые изменяют ДНК только тогда, когда они собраны вместе в правильном порядке: они связали каждую половину DddA с белками, которые были сконструированы для соединения с определенными последовательностями ДНК. Это позволяет проконтролировать, какие места в геноме модифицирует фермент.

Ученые также разрабатывают технику для исправления митохондриальных мутаций, используя тот факт, что клетки могут содержать тысячи копий митохондриального генома и что зачастую их часть не содержит мутаций, связанных с заболеванием. Генетик Карлос Мораес из Университета Майми (Флорида) и другие ученые разрабатывают ферменты, которые будут проникать в митохондрии и разрезать ДНК в месте вредоносной мутации. Вместо того чтобы восстанавливать разрез, митохондрии часто просто разрушают ДНК, которая была повреждена. Результатом будут митохондрии, которых лишили мутированной копии генома, что в конечном итоге позволит здоровой копии вновь заселить структуру.

В конечном счете эта методика может дополнить уже существующие методы предотвращения или лечения митохондриальных заболеваний, но на данном этапе она еще далека от практического применения и требует дальнейшей разработки.

Валерий Ильинский убежден, что именно недостаточная точность не позволяет пока применять такие подходы на практике, так как редактирование конкретной мутации может привести к ошибкам в потенциальных участках генома и они могут оказаться фатальными. Это побочный эффект, который невозможно отменить. Вероятность появления этого метода в медицинской практике зависит от его точности. В ближайшие годы, по его мнению, ученые будут разрабатывать новые подходы и повышать точность этой технологии. А в отношении митохондриальных заболеваний скорее начнут пересаживать здоровые митохондрии, нежели их редактировать. В России же технология редактирования генома едва ли станет массовой: она дорогостоящая, а такие наследственные заболевания встречаются довольно редко.

«Она не должна применяться массово. Она не нужна мне или вам. А случаев, когда все остальное не помогает… Таких случаев, к счастью, довольно мало»,— считает предприниматель.

Использованы материалы статей: https://www.nature.com/articles/d41586-020-02054-5#ref-CR1, https://www.nature.com/articles/d41586-020-01974-6#ref-CR2

Анастасия Синюкова