Tyrėjų komanda, vadovaujama Feng Zhango iš McGovern smegenų tyrimų instituto MIT (Masačusetso technologijos institutas) ir MIT bei Harvardo Bendrojo instituto, atskleidė pirmąją programuojamą RNR valdomą sistemą eukariotuose. „Nature“ žurnale paskelbtame straipsnyje komanda aprašo, kad šios sistemos pagrindą sudaro Fanzor baltymai, kurie naudoja RNR, kad pasiektų ir surastų taikinį bei galėtų perprogramuoti ir redaguoti žmogaus ląstelių genomą. Kompaktiškos Fanzor sistemos turi potencialą būti lengviau pristatomos į ląsteles ir audinius kaip terapinės medžiagos lyginant su CRISPR-Cas sistemomis ir galėtų būti nauja technologija žmogaus genomų redagavimui.

CRISPR-Cas sistema pirmą kartą buvo atrasta prokariotuose (bakterijose ir kituose vienaląsčiuose organizmuose, kurie neturi branduolio) ir mokslininkai, įskaitant ir dirbančius Zhango laboratorijoje, ilgą laiką domėjosi, ar panašios sistemos egzistuoja eukariotuose. Naujas tyrimas rodo, kad RNR valdomi DNR karpymo mechanizmai egzistuoja visose gyvybės karalystėse.

„CRISPR pagrįstos sistemos yra plačiai naudojamos, nes jas galima lengvai perprogramuoti, kad būtų nukreiptos į skirtingas genomo vietas“, - sako Zhangas. „Ši nauja sistema yra dar vienas būdas tiksliai keisti žmogaus ląsteles, papildant jau turimus genomo redagavimo įrankius.“

Zhango laboratorijos pagrindinis tikslas yra kurti genetinius vaistus, naudojant sistemas, kurios gali reguliuoti žmogaus ląsteles, nukreipiant konkrečius genus ir procesus. „Prieš kelis metus pradėjome klausti savęs, kas yra už CRISPR? Ar gamtoje yra kitų RNR-programuojamų sistemų?“

Prieš du metus Zhango laboratorijos nariai atrado RNR-programuojamų sistemų klasę prokariotuose, vadinamą OMEGA, kuri siejama su transpozonais („šokinėjančiais genais“) bakterijų genomuose ir, tikriausiai, davė pradžią CRISPR-Cas sistemoms. Pastebėti panašumai tarp prokariotinių OMEGA sistemų ir Fanzor baltymų eukariotuose, rodantys, kad Fanzor fermentai gali taip pat naudoti RNR mechanizmą, kuris nukreipia juos į DNR ir ją karpo.

Mokslininkai tęsė savo darbą su RNR-programuojamomis sistemomis. Fanzor baltymai buvo išskirti iš grybų, dumblių ir amebų rūšių. Tyrimo grupė parodė, kad išskirti baltymai yra endonukleazės fermentai (DNR karpymo), kurie naudoja arti esančias nekoduojančias RNR, žinomas kaip ωRNR, norint nukreipti į tam tikras genomo vietas. Tai pirmas kartas, kai šis mechanizmas buvo rastas eukariotuose.

Skirtingai nei CRISPR baltymai, Fanzor fermentai yra koduojami eukariotinio genomo viduje, transpozuojamuose elementuose, o filogenetinė analizė rodo, kad Fanzor genai yra migravę iš bakterijų į eukariotus horizontalaus genų perdavimo būdu. „OMEGA sistemos yra senesnės nei CRISPR ir jos yra vienos iš gausiausių planetos baltymų, todėl tai paaiškina, kaip jos galėjo „keliauti“ tarp prokariotų ir eukariotų“, - sako Saito, tyrimo bendraautorius.

Norėdami ištirti Fanzor potencialą kaip genomo redagavimo įrankį, tyrėjai parodė, kad jis gali generuoti įterpimus ir ištrynimus pasirinktose žmogaus genomo vietose. Tyrėjai nustatė, kad tyrimo pradžioje Fanzor sistema buvo mažiau efektyvi nei CRISPR-Cas sistemos DNR kirpimo srityje, tačiau atlikdami sistemingą baltymų modifikavimą, jie įvedė kombinaciją mutacijų tiriamame baltyme ir tokiu būdu padidino jo aktyvumą 10 kartų. Be to, tyrėjai nustatė, kad iš grybų gaunamas Fanzor baltymas, skirtingai nei kai kurios CRISPR ar OMEGA sistemos, karpydamas tikslinę DNR nedegraduoja aplink ją esančių DNR ar RNR sričių.

Peiyu Xu vadovaujama komanda stengėsi išanalizuoti Fanzor/ωRNR komplekso molekulinę struktūrą ir paaiškinti, kaip sistema prisitvirtina prie DNR ir ją sukarpo. Fanzor turi struktūrinius panašumus su prokariotuose randamu CRISPR-Cas12 baltymu, tačiau sąveika tarp ωRNR ir Fanzor katalitinės srities yra platesnė, rodant, kad ωRNR gali atlikti tam tikrą vaidmenį katalitinėse reakcijose. „Mums labai įdomios šios struktūrinės žinios, padėsiančios toliau vystyti ir optimizuoti Fanzor, siekiant pagerinti jo efektyvumą ir tikslumą", - sako Xu.

Kaip ir CRISPR pagrįstos sistemos, Fanzor sistema gali būti lengvai perprogramuojama, siekiant ją nukreipti į specifines genomo vietas. Zhang teigia, kad ateityje ji galėtų tapti galinga nauja genomo redagavimo technologija moksliniams tyrimams ir terapinėms procedūroms.

„Gyvybės įvairovė yra nuostabi“, - sako Zhang. „Tikriausiai yra daugiau RNR-programuojamų sistemų. Mes tęsiame tyrinėjimus ir tikimės atrasti dar daugiau“.

Kol kas mokslininkų atrasta Fanzor sistema yra tiriama ir tobulinama, tačiau rezultatai perspektyvūs bei daug žadantys. Laiko klausimas, kada ląstelės genomo redagavimas taps efektyvesnis ir tikslesnis.

Šaltiniai:

1. Researchers uncover a new CRISPR-like system in animals that can edit the human genome | MIT News | Massachusetts Institute of Technology
2. Saito, M., Xu, P., Faure, G., Maguire, S., Kannan, S., Altae-Tran, H., Vo, S., Desimone, A., Macrae, R. K., & Zhang, F. (2023). Fanzor is a eukaryotic programmable RNA-guided endonuclease. Nature. https://doi.org/10.1038/s41586-023-06356-2

Komentarai ()