Расшифровка структуры системы CRISPR на основе РНК

Расшифровка структуры системы CRISPR на основе РНК

Исследователи Института Солка раскрывают молекулярные детали нового инструмента генной инженерии

LA JOLLA — За последние несколько лет CRISPR-Cas9 вышел за пределы лабораторного стола и стал частью общественной жизни. Этот инструмент редактирования генов обещает исправлять дефекты внутри отдельных клеток и потенциально излечивать или предотвращать многие болезни человека. Но система Cas9 изменяет ДНК, а не РНК, и некоторые эксперты считают, что способность модифицировать РНК в конечном итоге может оказаться столь же полезной.

Теперь ученые из Института Солка впервые сообщают о подробной молекулярной структуре CRISPR-Cas13d, многообещающего фермента для новой технологии редактирования РНК. Они смогли визуализировать фермент благодаря криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ), передовой технологии, которая позволяет исследователям фиксировать структуру сложных молекул в беспрецедентных деталях. О результатах было сообщено 20 сентября 2018 года в журнале Ячейка.

«Эта статья представляет собой молекулярный план генной инженерии, нацеленной на РНК», — говорит доцент Солк. Дмитрий Люмкис, структурный биолог и один из авторов исследования. «Это расширяет набор инструментов, необходимых для проведения такого рода важных биомедицинских исследований».

Полученный из генов, первоначально обнаруженных в бактериях, CRISPR был описан как «молекулярные ножницы» или «программа обработки текста для живых клеток». Он заменяет один сегмент генетического кода другим. В системе CRISPR-Cas9 Cas9 является ферментом, разрезающим ДНК. Однако наличие инструментов для редактирования РНК позволило бы ученым модифицировать активность гена, не внося необратимого — и потенциально опасного — изменения в сам ген.

«ДНК постоянна, но постоянно меняются сообщения РНК, которые копируются из ДНК», — говорит научный сотрудник Солка Сильвана Конерманн, научный сотрудник Медицинского института Говарда Хьюза Ханна Грей и один из первых авторов исследования. «Возможность модулировать эти сообщения, напрямую контролируя РНК, имеет важные последствия для влияния на судьбу клетки».

Ранее в этом году Конерманн и Товарищ Helmsley-Salk Патрик Хсу опубликовал еще одну статью в Ячейка открытие семейства ферментов под названием CRISPR-Cas13d и сообщение о том, что эта альтернативная система CRISPR эффективна в распознавании и разрезании РНК. Команда также показала, что этот инструмент можно использовать для коррекции болезнетворного белкового дисбаланса в клетках человека с деменцией.

Новое исследование, результат сотрудничества лабораторий Люмкис и Хсу, основано на открытии семейства Cas13d и предоставляет молекулярные данные, объясняющие, как оно работает.

«В нашей предыдущей статье мы обнаружили новое семейство CRISPR, которое можно использовать для создания РНК непосредственно внутри клеток человека», — говорит Хсу, другой автор новой работы. «Теперь, когда мы смогли визуализировать структуру Cas13d, мы можем более подробно увидеть, как фермент направляется к РНК и как он способен разрезать РНК. Эти идеи позволяют нам улучшить систему и сделать процесс более эффективным, прокладывая путь к новым стратегиям лечения заболеваний, связанных с РНК».

Команда использовала крио-ЭМ, чтобы раскрыть новые детали Cas13d, заморозив фермент в различных динамических состояниях, что позволило исследователям расшифровать ряд действий, а не просто наблюдать одно действие в один момент времени.

«Это позволило нам увидеть, как Cas13d направляет, связывает и нацеливает РНК», — говорит Ченг Чжан, научный сотрудник лаборатории Люмкиса и другой первый автор статьи. «Мы надеемся, что эти новые знания помогут расширить возможности инструментов редактирования генов».

Другими авторами статьи были Николас Дж. Бридо и Питер Лотфи из Солка; Сюэбин Ву из Института биомедицинских исследований Уайтхеда; и Скотт Дж. Новик, Тимоти Струценберг и Патрик Р. Гриффин из Исследовательского института Скриппса.

Эта работа была поддержана стипендией Ханны Х. Грей из Медицинского института Говарда Хьюза; стипендия Фонда Хелен Хей Уитни; Национальные институты здравоохранения гранты NIH-NCI CCSG P30 014195, DP5 OD021369, DP5 OD021396 и U54GM103368; и Благотворительный фонд Хелмсли.