Вчені з Arc Institute виявили механізм мостової рекомбінази, революційний інструмент, який дозволяє програмувати перегрупування ДНК. Їхнє відкриття, детально описане в недавній публікації в журналі Nature, представляє першу ДНК-рекомбіназу, що використовує некодуючу РНК для специфічного вибору послідовностей цільових і донорних молекул ДНК. Ця мостова РНК є програмованою, що дозволяє користувачеві вказати будь-яку бажану геномну цільову послідовність і будь-яку донорську молекулу ДНК для вставки.
Дослідження було проведено у співпраці з лабораторіями Сільвани Конерманн, головного дослідника Arc Institute та доцента біохімії Стенфордського університету, і Хіроші Нішімасу, професора структурної біології Токійського університету.
Нова ера генетичного програмування
«Система мостової РНК є принципово новим механізмом для біологічного програмування», — сказав доктор Патрік Хсу, старший автор дослідження та головний дослідник Arc Institute та доцент кафедри біоінженерії Каліфорнійського університету в Берклі. «Мостова рекомбінація може універсально модифікувати генетичний матеріал через вставку, вирізання, інверсію та інші методи, створюючи текстовий процесор для живого геному поза технологіями CRISPR».
Система мостової рекомбінації походить від елементів послідовності вставки 110 (IS110), одного з багатьох типів пересувних елементів або “стрибаючих генів”, які вирізають і вставляють себе для переміщення всередині та між мікробними геномами. Транспозовані елементи зустрічаються в усіх формах життя та перетворилися на професійні машини для маніпулювання ДНК з метою виживання. Елементи IS110 складаються лише з гена, що кодує фермент рекомбіназу, і фланкуючих сегментів ДНК, які досі залишалися загадкою.
Розширений механізм мостової РНК
Лабораторія Хсу виявила, що коли IS110 вирізається з геному, некодуючі кінці ДНК з’єднуються, утворюючи молекулу РНК – мостову РНК – яка згортається у дві петлі. Одна петля зв’язується з самим елементом IS110, тоді як інша петля зв’язується з цільовою ДНК, куди буде вставлений елемент. Мостова РНК є першим прикладом біспецифічної направляючої молекули, що визначає послідовність як цільової, так і донорної ДНК через взаємодії спарювання основ.
Кожна петля мостової РНК незалежно програмується, що дозволяє дослідникам змішувати та поєднувати будь-які цільові та донорські послідовності ДНК. Це означає, що система може вийти далеко за межі своєї природної ролі, яка вставляє сам елемент IS110, дозволяючи вставляти будь-який бажаний генетичний вантаж, наприклад, функціональну копію несправного гена, що викликає хворобу, у будь-яке геномне місце. У цій роботі команда продемонструвала понад 60% ефективність введення бажаного гена в кишкову паличку з понад 94% специфічністю для правильного розташування генома.
«Ці програмовані мостові РНК відрізняють IS110 від інших відомих рекомбіназ, які не мають РНК-компонента і не можуть бути запрограмовані», — сказав один із провідних авторів Нік Перрі, аспірант біоінженерії Каліфорнійського університету в Берклі. «Це як універсальний адаптер живлення, який робить IS110 сумісним з будь-якою розеткою».
Спільні дослідження та майбутні перспективи
Відкриття лабораторії Хсу доповнене їхньою співпрацею з лабораторією доктора Хіроші Нішімасу в Токійському університеті, також опублікованою 26 червня в Nature. Лабораторія Нішімасу використовувала кріоелектронну мікроскопію для визначення молекулярних структур комплексу РНК рекомбінази-містка, пов’язаного з цільовою та донорною ДНК, послідовно просуваючись через ключові етапи процесу рекомбінації.
Подальші дослідження і розробка механізму мостової рекомбінації обіцяють започаткувати третє покоління РНК-керованих систем, виходячи за межі технологій CRISPR і RNAi, щоб запропонувати уніфікований механізм для програмованої перебудови ДНК. Важливим для розвитку системи рекомбінації мостів у дизайні геному ссавців є те, що мостова рекомбіназа з’єднує обидва ланцюги ДНК без вивільнення розрізаних фрагментів ДНК, що обходить ключове обмеження сучасних технологій редагування геному.
