Клетки человека оснастили системой «генетической памяти»
Взаимодействие комплекса Cas9 и направляющей РНК с ДНК-мишенью. Художественный рендер.
Megan Riel-Mehan
Ученые превратили систему CRISPR/Cas в искусственный механизм молекулярной «памяти», способный сохранять информацию о происходивших с живой клеткой событиях в ее собственном геноме. О нем рассказывает статья, опубликованная журналом Science.
«Самодостаточное аналоговое устройство памяти» представила группа биоинженеров во главе с профессором Массачусетского технологического института (MIT) Тимоти Лу (Timothy Lu). Ранее его команда уже демонстрировала подобный молекулярный механизм для бактерий, однако на клетках человека она реализована впервые. В основе его — бактериальная система защиты от вирусов CRISPR/Cas, включающая встроенные в хромосому фрагменты вирусных геномов (CRISPR), образцы, на основе которых клетка синтезирует короткие цепочки «направляющих» РНК. Ориентируясь на эти РНК, белки семейства Cas распознают и разрезают на куски совпадающие с ними молекулы ДНК, оказавшиеся в клетке. Эта способность Cas-нуклеаз сделала их чрезвычайно популярным инструментом генной модификации, для чего обычно используется изученный лучше остальных белок Cas9, выделенный из бактерий Streptococcus pyogenes.
Cas9 использовали и Тимоти Лу с соавторами, однако замкнули работу системы «на себя»: в их схеме РНК направляет атаку нуклеазы Cas9 на фрагмент ДНК, кодирующий саму эту РНК — такие молекулы авторы назвали «самонаправленными РНК-гидами» (self-targeting guide RNA, stgRNA). В результате Cas9 вносит разрез в ДНК, механизмы репарации восстанавливают повреждение и возникает мутация. На основе такой ДНК клетка синтезирует новые, слегка видоизмененные РНК — этот процесс может повторяться раз за разом, накапливая информацию о каждом акте изменений. Следует отметить, что в природе возможность атаки направляющих РНК на ДНК, с которой они были синтезированы, подавлена за счет специальных последовательностей, так называемых PAM, о работе которых можно подробнее прочитатьздесь.
Описанная система может срабатывать, в общем-то, при любых заранее заданных событиях, происходящих с клеткой. Достаточно лишь поставить синтез «самонаправленной» РНК под управление промотора, реагирующего на соответствующие изменения. Демонстрируя эти возможности, ученые получили ГМ-линии человеческих клеток, способных сохранять «воспоминания» о разных молекулярных событиях — в частности, об обработке антибиотиком доксициклином, изопропил-β-D-1-тиогалактопиранозидом, а также о срабатывании одного из сигнальных путей клетки (NF-κB), связанного с развитием воспалительных процессов.
Механизм, который авторы называют mSCRIBE (Mammalian Synthetic Cellular Recorder Integrating Biological Events), может стать новым удобным инструментом молекулярной биологии, позволяя отслеживать многие детали развития клеток, тканей и организмов, проводить биомедицинские и генетические исследования. Коротко о самой технологии CRISPR/Cas можно прочитать здесь.