Ученые выяснили, как изменить базовую архитектуру CRISPR, чтобы расширить ее охват за пределы генома и в так называемый эпигеном – белки и небольшие молекулы, которые прикрепляются к ДНК и контролируют, когда и где гены включаются или выключаются.

В статье, опубликованной 9 апреля 2021 года в журнале Cell исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско и Института Уайтхеда описывают новый инструмент на основе CRISPR под названием «CRISPRoff», который позволяет ученым отключать практически любой ген в клетках человека без единого редактирования генетического кода. Исследователи также показывают, что после выключения ген остается инертным в потомках клетки на протяжении сотен поколений, если только он не будет снова включен с помощью дополнительного инструмента под названием CRISPRon, также описанного в статье.

Поскольку эпигеном играет центральную роль во многих заболеваниях, от вирусной инфекции до рака, технология CRISPRoff может однажды привести к мощным эпигенетическим методам лечения. А поскольку этот подход не требует редактирования ДНК, он, вероятно, будет более безопасным, чем обычные терапевтические средства CRISPR, которые, как известно, вызывают нежелательные и потенциально вредные изменения в геноме.

Хотя генетическая и клеточная терапия – это будущее медицины, существуют потенциальные проблемы безопасности, связанные с постоянным изменением генома, поэтому мы пытаемся найти другие способы использования CRISPR для лечения болезней ».

Люк Гилберт, доктор философии, профессор комплексного онкологического центра семьи Хелен Диллер UCSF и соавтор новой статьи

Преобразование CRISPR из редактора генома в редактор эпигенома

Обычный CRISPR оснащен двумя частями молекулярного оборудования, которые делают его эффективным инструментом для редактирования генов. Одним из компонентов является фермент, отсекающий ДНК, который дает CRISPR возможность изменять последовательности ДНК. Другой – это самонаводящееся устройство, которое можно запрограммировать на нулевую точку на любой интересующей последовательности ДНК, обеспечивая точный контроль над тем, где вносятся изменения.

Чтобы создать CRISPRoff, исследователи отказались от функции обычного фермента CRISPR, отрезающего ДНК, сохранив при этом самонаводящееся устройство, создав упрощенный CRISPR, способный воздействовать на любой ген, но не редактировать его. Затем они подключили фермент к этому базовому CRISPR. Но вместо сплайсинга ДНК этот фермент действует на эпигеном.

Новый инструмент нацелен на особую эпигенетическую особенность, известную как метилирование ДНК, которая является одной из многих молекулярных частей эпигенома. Когда ДНК метилирована, к ДНК прикрепляется небольшая химическая метка, известная как метильная группа, которая заглушает близлежащие гены. Хотя метилирование ДНК происходит естественным образом во всех клетках млекопитающих, CRISPRoff предлагает ученым беспрецедентный контроль над этим процессом. Другой инструмент, описанный в статье, называется CRISPRon, удаляет метки метилирования, оставленные CRISPRoff, делая процесс полностью обратимым.

«Теперь у нас есть простой инструмент, который может заставить замолчать подавляющее большинство генов», – сказал Джонатан Вайсман, доктор философии, член Института Уайтхеда, соавтор новой статьи и бывший преподаватель UCSF. «Мы можем сделать это для нескольких генов одновременно без какого-либо повреждения ДНК и таким способом, который можно обратить вспять. Это отличный инструмент для контроля экспрессии генов»

"Главный сюрприз" переворачивает основной принцип эпигенетики

Основываясь на предыдущей работе группы в Италии, исследователи были уверены, что CRISPRoff сможет заглушить определенные гены, но они подозревали, что около 30 процентов человеческих генов не будут реагировать на новый инструмент.

ДНК состоит из четырех генетических букв – A, C, G, T – но, как правило, только Cs рядом с G могут быть метилированы. Дело усложняется тем, что ученые долгое время считали, что метилирование может заглушить гены только в тех участках генома, где последовательности CG сильно сконцентрированы, областях, известных как «острова CpG».

Поскольку почти у трети генов человека отсутствуют CpG-островки, исследователи предположили, что метилирование не отключит эти гены. Но их эксперименты CRISPRoff опровергли эту эпигенетическую догму.

«До этой работы считалось, что 30 процентов генов, не имеющих CpG-островков, не контролируются метилированием ДНК», – сказал Гилберт. «Но наша работа ясно показывает, что вам не нужен островок CpG для выключения генов путем метилирования. Для меня это стало большим сюрпризом»

Эпигенетическая наследственность усиливает терапевтический потенциал CRISPRoff

Простые в использовании эпигенетические редакторы, такие как CRISPRoff, обладают огромным терапевтическим потенциалом, во многом потому, что, как и геном, эпигеном может передаваться по наследству.

Когда CRISPRoff заглушает ген, он не только остается выключенным в обработанной клетке, но также остается в потомках клетки, когда она делится, на протяжении 450 поколений.

К удивлению исследователей, это справедливо даже для созревающих стволовых клеток. Хотя переход от стволовой клетки к дифференцированной взрослой клетке включает в себя значительную перестройку эпигенома, метки метилирования, депонированные с помощью CRISPRoff, достоверно унаследованы значительной частью клеток, совершивших этот переход.

Эти данные предполагают, что CRISPRoff нужно вводить только один раз, чтобы получить длительный терапевтический эффект, что делает его многообещающим подходом для лечения редких генетических заболеваний, включая синдром Марфана, который поражает соединительную ткань, синдром Джоба, нарушение иммунной системы, и некоторые формы рака, вызванные активностью одной поврежденной копии гена.

Исследователи отметили, что, хотя CRISPRoff является исключительно многообещающим, необходимы дальнейшие работы, чтобы полностью реализовать его терапевтический потенциал. Время покажет, действительно ли CRISPRoff и подобные технологии являются «будущим медицины».