Международная группа ученых из России и США обнаружила фермент, который способен специфически уничтожать нужную РНК с помощью РНК-гида. Нуклеаза входит в одну из разновидностей системы CRISPR, однако, в отличие от широкоизвестных CRISPR/Cas9, действует на уровне РНК, а не ДНК, что избавляет весь методот риска дестабилизации генома из-за внесения «неправильных» разрывов. Работа пока не прошла рецензирование и доступна в виде препринта в базеbioar Xiv.org

Созданная в 2012 году система редактирования генома CRISPR/Cas9 основана на системе бактериального противовирусного иммунитета. Такой иммунитет позволяет бактериям находить фрагменты ДНК вируса в своей «картотеке» CRISPR (она расположена в определенном участке генома бактерии), и уничтожать вирусную ДНК с помощью специальной нуклеазы.

У разных бактерий и архей существует несколько типов системы CRISPR и несколько нуклеаз, однако для целей редактирования генома в биоинженерии почти всегда используется нуклеаза Cas9 (это отражено в названии метода). Главное преимущество именно этой нуклеазы в том, что Cas9 работает самостоятельно (это один белок), в то время как большинство остальных нуклеаз CRISPR работают в комплексе из нескольких ферментов, а использовать мультисубъединичные комплексы для редактирования геномане удобно и часто неэффективно.

У системы CRISPR/Cas9 есть три ключевых недостатка. Во-первых, нуклеаза Cas9 —довольно большой белок, ген которого часто не «влезает» в те носители(векторы), что используются для введения генетических конструкций в клетках.

Во-вторых, Cas9 действует только на ДНК, а не РНК. Это нельзя назвать недостатком если мы действительно хотим редактировать геном клетки, то есть менять ее ДНК. Однако часто нужного результата можно добиться просто «выключив» активность нужного гена на уровне РНК — просто уничтожив все сделанные с этого гена копии. Такое вмешательство, известное по примеру РНК интерференции, потенциально более безопасно, так как не вносит нестабильности в геном. Например, если даже нуклеаза ошибается в выборе мишени, это никак не ведет к появлению мутаций в геноме. Такой метод потенциально может быть ближе к терапевтическому применению, чем настоящее редактирование генома с помощью CRISPR/Cas9.

Структура комплекса нуклеазы Cas9 с направляющей РНК

В-третьих,сейчас метод редактирования генома CRISPR/Cas9 является предметом патентного спора, что может существенно отложить его приход в клиническую практику. Все эти причины требуют поиска новых нуклеаз,которые можно было бы использовать для регуляции активности генов.

Ранее этой же группе исследователей удалось создать биоинформатическую системупоиска новых видов иммунитета CRISPR в геномных данных бактерий и найти новый класс систем CRISPR, том числе гипотетическую нуклеазу С2с2.Это небольшой белок, который, как показывал анализ последовательности, скорее всего действует не на ДНК, а на РНК.

В новой работе ученым удалось подтвердить эти предположения и опробовать новую систему CRISPR/C2c2 в действии. Для этого авторы перенесли последовательности CRISPR, C2c2 и других компонентов системы из лептотрихии (Leptotrichia shahii), в геноме которой ее обнаружили, в геном кишечной палочки. Затем ученые заражали бактерий РНК-вирусом MS2 и смотрели на выжившие клетки. Таким образом удалось обнаружить фрагменты вируса, которые наиболее всего уязвимы для действия CRISPR/C2c2 и определить субстратные предпочтения фермента C2c2. 

В качестве теста биоинженерных свойств системы CRISPR/C2c2 авторы научились выключать красное свечение бактерий за счет уничтожения РНК предварительно введенного в клетки гена красного флюоресцентного белка. По словам ученых, эффективность выключения составила от 20 до 92 процентов,в зависимости от выбранной мишени на РНК флюоресцентного белка. 

Такая эффективность сравнима с эффективностью РНК-интерференции,которая работает сходным образом, но засчет других  молекулярно-биологических механизмов. У РНК-интерференции при этом есть собственные недостатки.Например, короткие РНК, которые вводятся в клетки для выключения генов, очень быстро уничтожаются неспецифичными РНК азами и часто не могут проникнуть в клетку, из-за чего терапевтическая эффективность существенно снижается.

Автор: Александр Ершов