Мостовая рекомбиназа и программируемая перегруппировка ДНК 02.07.2024

Недавние исследования в области генетики привели к созданию нового инструмента, который может изменить подход к манипуляциям с ДНК. Ученые из Института Arc разработали мостовую рекомбиназу, которая позволяет программировать перегруппировку ДНК с беспрецедентной точностью и гибкостью. Эта технология открывает новые горизонты в редактировании генома и биологическом программировании.

Мостовая рекомбиназа является первой рекомбиназой ДНК, которая использует некодирующую РНК для выбора целевых и донорных молекул ДНК. Эта мостовая РНК может быть запрограммирована таким образом, чтобы пользователь мог указать любую нужную геномную последовательность и любую донорскую молекулу ДНК для вставки. Это позволяет проводить точные и целенаправленные изменения в геноме.

Исследование было проведено в сотрудничестве с лабораториями Сильвана Конерманна, ведущего исследователя Института Arc и доцента биохимии Стэнфордского университета, и Хироши Нишимы, профессора структурной биологии Токийского университета. Это междисциплинарное сотрудничество позволило достичь значительных результатов и продемонстрировать возможности новой технологии.

"Система мостовой РНК представляет собой принципиально новый механизм для биологического программирования," - отметил доктор Патрик Хсу, старший автор исследования и ведущий исследователь Института Arc, а также доцент кафедры биоинженерии Калифорнийского университета в Беркли. "Мостовая рекомбинация может универсально модифицировать генетический материал через вставку, вырезание, инверсию и другие методы, создавая своего рода текстовый процессор для живого генома за пределами возможностей CRISPR."

Эта система основана на элементах последовательности вставки 110 (IS110), одном из множества передвижных элементов или "прыгающих генов", которые могут перемещаться внутри и между геномами микроорганизмов. Эти транспонируемые элементы встречаются во всех формах жизни и превратились в профессиональные машины для манипуляции ДНК, что обеспечивает их выживание. Элементы IS110 состоят только из гена, кодирующего фермент рекомбиназу, и фланкирующих сегментов ДНК, которые до сих пор оставались загадкой.

Команда лаборатории Хсу обнаружила, что при вырезании IS110 из генома некодирующие концы ДНК соединяются, образуя мостовую РНК, которая сворачивается в две петли. Одна петля связывается с самим элементом IS110, а другая - с целевой ДНК, в которую будет вставлен элемент. Эта мостовая РНК является первым примером молекулы, которая может одновременно определять последовательности как целевой, так и донорной ДНК через взаимодействие спаривания оснований.

Каждая петля мостовой РНК может быть независимо запрограммирована, что позволяет исследователям комбинировать любые интересующие последовательности ДНК. Это значительно расширяет возможности системы, позволяя вставлять любые гены, включая функциональные копии дефектных генов, вызывающих болезни, в нужные места генома. В исследовании команда продемонстрировала более 60% эффективности введения желаемого гена в кишечную палочку с более 94% точностью расположения в геноме.

Технология мостовой рекомбиназы открывает новые перспективы для генной инженерии и медицинских исследований. Она предоставляет ученым уникальный инструмент для точного и программируемого редактирования генома, что может привести к значительному прогрессу в лечении генетических заболеваний и развитии биотехнологий.