Математика объясняет, почему Crispr-Cas9 иногда неправильно режет ДНК
Первоначально система Crispr-Cas9 казалась точной, но теперь очевидно, что она также иногда режет нецелевые последовательности ДНК. В очередной раз мы находим больше правды о неточности системы редактирования генов CRISPR в научном поле, как и в случае с новым отчетом представленным ниже.
Открытие белка Cas9 упростило редактирование генов и в ближайшем будущем может даже привести к устранению многих наследственных заболеваний. Используя Cas9, исследователи имеют возможность резать ДНК в клетке, чтобы исправить мутированные гены и вставить новые фрагменты генетического материала в освободившееся место. Первоначально система Crispr-Cas9 казалась чрезвычайно точной. Однако теперь очевидно, что Cas9 иногда также режет другие последовательности ДНК, аналогичные последовательностям, которые были запрограммированы как целевые. Ученые из Делфтского технического университета разработали математическую модель, которая объясняет, почему Cas9 режет некоторые последовательности ДНК, оставляя других в покое.
Система Crispr-Cas9 представляет собой защитный механизм, который защищает бактерии от вирусов. Если вирус проникает в бактерию, но не захватывает клетку, система защиты вырезает некоторый генетический материал из вируса и хранит его в собственном геноме бактерии. Встроенная вирусная ДНК действует как генетическая память. Если тот же вирус нападет на бактерию (или ее потомков), она быстро распознает атакующего и может отправить белки Cas9, чтобы отследить его. Используя вирусную РНК, как своего рода «шпаргалку», белок охотится за враждебную ДНК в клетке. Если совпадение найдено система Crispr-Cas9 разрезает вирусную ДНК, нейтрализуя угрозу.
Вредное воздействие
Ученые изначально полагали, что Crispr-Cas9 только режет кусочек ДНК, если он точно соответствует имеющейся шпаргалке РНК. Однако это предположение оказалось ошибочным. Белок иногда режет последовательности ДНК, которые напоминают материал, который он ищет, но содержит несколько отличительных литер. По мнению исследователя Мартина Депэка из Делфтского технического университета, резка таких немного отличающихся последовательностей очень логична с эволюционной точки зрения. «Вирусы постоянно мутируют и поэтому могут иметь различный генетический состав, чем то, что ищет Cas9», говорит он. «Кроме того, вырезая несколько последовательностей ДНК, система Crispr-Cas9 может отслеживать эволюцию вируса и лучше защищать бактерии от своих врагов».
Фото. Пояснение процесса ошибочного вырезания системой Crispr-Cas9 некоторого участка ДНК
Но в этом случае то, что хорошо для бактерий, плохо для людей. Если мы хотим использовать Cas9 для редактирования генов ДНК, крайне важно, чтобы не были вырезаны гены, кроме целевых. Уничтожение нецелевого генетического материала может иметь ужасные последствия.
Эксперименты показали, что Crispr-Cas9 с большой вероятностью вырежет некоторые несовпадающие последовательности. Ученые из исследовательской группы Мартина Дэпкена во главе с докторантом Миша Клейн, задались вопросом, какая основная физика зашита в этом процессе. Дэпкен говорит, что все зависит от затрачиваемой энергии на проверку цепочки ДНК.
«Когда Cas9 проверяет на соответствие последовательности ДНК, она начинается с одного конца нити», объясняет Дэпкен. «Затем она проверяет все литеры строки. Каждое совпадение вознаграждается энергией, в то время как любое несоответствие приводит к потере энергию. Чем больше ошибок присутствует в последовательность ДНК, тем ближе она к началу последовательности, тем больше вероятность того, что белок будет воздерживаться от резки. Вместо этого она отстанет от ДНК и продолжит поиск фрагмента генетического материала, который лучше соответствует ее шаблону РНК».
Более точные прогнозы
По словам Дэпкена, простая математическая модель, разработанная его группой, на удивление хорошо предсказывает данные о резком поведении Cas9. Если ошибка находится в конце последовательности, белок, скорее всего, накопит достаточно энергии для преодоления этого препятствия, что повышает вероятность резки. Модель также объясняет, почему Cas9 воздерживается от резки, когда сталкивается с несоответствием в начале последовательности или когда два несоответствия находятся близко друг к другу.
Когда дело доходит до вероятности того, что последовательность ДНК будет разрезана, физические свойства самого белка Cas9 также играют определенную роль. Теперь Дэпкен и его коллеги надеются включить эту переменную в свою модель. В конечном итоге модель должна привести к лучшему прогнозированию ошибок, которые могут возникнуть с Cas9. «Иногда при фиксировании гена есть выбор в точном месте, и наша модель поможет определить, какие места лучше всего являются целями», говорит Дэпкен. Физическое понимание предоставленной модели также может помочь в попытках избежать опасных для жизни ошибок при редактировании ДНК.
И какой же вывод напрашивается?
Это исследование поясняет результаты другого исследования, в ходе которого было выявлено множество мутаций в результате использования метода редактирования генов CRISPR. Эти два исследования ясно говорят нам о том, что метод метода редактирования генов CRISPR не является математически точным, как заявляют многие его сторонники, а также сторонники ГМО, которые видят в этом методе более успешный и продвинутый способ создания совершенных ГМО. На данный момент модель CRISPR является несовершенной и вносит вероятностный характер в конечный результат.
Исследование:
Миша Клейн, Бекруз Эслами-Моссаллам, Дилан Гонсалес Арройо, Мартин Дэпкен «Кинетика гибридизации объясняет правила нецелевой резки CRISPR-Cas». Журнал «Cell Reports» №22 (6), стр. 1413—1423.
doi.org/10.1016/j.celrep.2018.01.045
