Комбинируя технологию CRISPR с белком, разработанным с помощью искусственного интеллекта, можно пробудить отдельные спящие гены, отключив химические «выключатели», которые заставляют их замолчать. Исследователи из Медицинской школы Вашингтонского университета в Сиэтле описали это открытие в журнале Cell Reports.
Этот подход позволит исследователям понять роль отдельных генов в нормальном росте и развитии клеток, в старении и в таких заболеваниях, как рак, сказала Шири Леви, научный сотрудник Института стволовых клеток и регенеративной медицины UW (ISCRM) и ведущий автор статьи.
«Прелесть этого подхода в том, что мы можем безопасно активировать определенные гены, чтобы влиять на активность клеток, не изменяя геном навсегда и не вызывая непреднамеренных ошибок», — сказал Леви.
Проект возглавляла Ханнеле Руохола-Бейкер, профессор биохимии и заместитель директора ISCRM. Белок, разработанный ИИ, был разработан в Медицинском институте белкового дизайна UW (IPD) под руководством Дэвида Бейкера, также профессора биохимии и главы IPD.
Новый метод контролирует активность генов, не изменяя последовательность ДНК в геноме, путем воздействия на химические модификации, которые помогают упаковывать гены в наши хромосомы и регулировать их активность. Поскольку эти модификации происходят не в генах, а поверх них, их называют эпигенетическими, от греческого epi «над» или «над» генами. Химические модификации, регулирующие активность генов, называются эпигенетическими маркерами.
Ученые особенно заинтересованы в эпигенетических модификациях, потому что они не только влияют на активность генов в нормальном функционировании клеток, эпигенетические маркеры накапливаются со временем, способствуют старению и могут влиять на здоровье будущих поколений, поскольку мы можем передать их нашим детям.
В своей работе Леви и ее коллеги сосредоточились на комплексе белков под названием PRC2, который подавляет гены, присоединяя небольшую молекулу, называемую метильной группой, к белку, который упаковывает гены, называемые гистонами. Эти метильные группы должны быть обновлены, чтобы, если PRC2 заблокировал гены, он заглушил их. его можно разбудить.
PRC2 активен на протяжении всего развития, но играет особенно важную роль в первые дни жизни, когда эмбриональные клетки дифференцируются в различные типы клеток, которые будут формировать ткани и органы растущего эмбриона. PRC2 можно заблокировать химическими веществами, но они неточны и влияют на функцию PRC2 во всем геноме. Цель исследователей UW состояла в том, чтобы найти способ заблокировать PRC2, чтобы одновременно затрагивался только один ген.
Для этого Дэвид Бейкер и его коллеги используют ИИ для создания белка, который будет связываться с PRC2 и блокировать белок, который PRC2 использует для модификации гистонов. Затем Руохола-Бейкер и Леви объединили этот разработанный белок с отключенной версией белка под названием Cas9.
Cas9 — это белок, используемый в процессе редактирования генов под названием CRISPR. Cas9 связывает и использует РНК в качестве адресной метки. Система позволяет ученым путем синтеза специфической «адресной метки» РНК доставить Cas9 в точное место в геноме и, следовательно, разрезать и сплайсировать гены в определенных местах. Однако в этом эксперименте режущая функция белка Cas9 отключена, поэтому последовательность геномной ДНК не изменяется. В результате он получил название dCas9, что означает «мертвый». Однако функция Cas9 в качестве «транспортного средства» для доставки груза в определенное место остается активной. Блокирующий белок, разработанный ИИ, был грузом конструкции dCas9-РНК. «dCas9 похож на UBER, — говорит Леви. — Он доставит вас в любое место генома, куда вы захотите. Направляющая РНК — это как пассажир, сообщающий UBER, куда идти».
В новой статье Леви и ее коллеги показывают, что с помощью этой техники они смогли заблокировать PRC2 и выборочно включить четыре разных гена. Они также смогли показать, что могут трансдифференцировать индуцированные плюрипотентные стволовые клетки в плацентарные клетки-предшественники, просто включив два гена.
«Этот метод позволяет нам избежать бомбардировки клеток различными факторами роста, активаторами и репрессорами генов, чтобы заставить их дифференцироваться», — сказал Леви. «Вместо этого мы можем нацеливаться на определенные участки в области промоторов транскрипции генов, удалять эти метки и позволять клетке делать все остальное органичным, целостным образом».
Наконец, исследователи смогли показать, как этот метод можно использовать для определения местоположения конкретных регуляторных областей, контролируемых PRC2, из которых активируются отдельные гены . Местонахождение многих из них неизвестно. В этом случае они идентифицировали промоторную область, называемую TATA-боксом, для гена TBX18. Хотя в настоящее время считается, что эти промоторные области близки к гену, в пределах 30 пар оснований ДНК, они обнаружили, что для этого гена промоторная область находится на расстоянии более 500 пар оснований.
«Это очень важное открытие», — сказал Руохола-Бейкер. «Боксы ТАТА разбросаны по всему геному, и современные представления в биологии таковы, что важные боксы ТАТА расположены очень близко к месту транскрипции гена, а остальные, по-видимому, не имеют значения. Сила этого инструмента в том, что он может найти критические Элементы, зависящие от PRC2, в данном случае имеют значение блоки TATA».
Эпигенетические модификации украшают обширные области генома в нормальных и аномальных клетках. Тем не менее, минимальная функциональная единица для эпигенетической модификации остается плохо изученной, отмечает Руохола-Бейкер: «Благодаря этим двум достижениям, разработанным ИИ белкам и технологии CRISPR, мы теперь можем находить точные эпигенетические метки, которые важны для экспрессии генов, изучать правил и использовать их для управления клеточной функцией, стимулирования клеточной дифференцировки и разработки методов лечения 21-го века».
