Биологи впервые получили атомные “фотографии” одной из версий геномного редактора CRISPR/Cas и обнаружили в нем систему коррекции ошибок, модификация которой сделает его более безопасным для человека, говорится в статье, опубликованной в журнале Cell.

“Для того, чтобы мы могли использовать CRISPR в медицине, мы должны быть полностью уверены в том, что эта система работает со 100% точностью и что она не редактирует совсем не те гены, которые она должна менять. Мы обнаружили, что система CRISPR-Cas3 обладает такой чертой, и теперь мы знаем, как можно поменять ее работу, если при редактировании генома все же возникнут ошибки”, — объясняет Айлун Кэ (Ailong Ke) из Корнеллского университета (США).

Геномный редактор CRISPR/Cas9, названный главным научным прорывом 2015 года, был открыт американским ученым Фэнем Чжаном (Feng Zhang) и рядом других молекулярных биологов примерно четыре года назад, и с тех пор он пережил несколько модернизаций, которые позволяют ученым использовать его для редактирования генома со сверхвысокой точностью.

На самом деле, CRISPR/Cas9, как и многие другие вещи, изобрел не человек, а природа — изначально данная система развилась внутри бактерий сотни миллионов лет назад для защиты от ретровирусов. Он состоит из двух компонентов — “библиотеки” образцов генетического кода вирусов (CRISPR), и фермента Cas9, ищущего подобные последовательности в ДНК бактерии и удаляющего их при необходимости.

В 2013 году началось бурное развитие этой технологии, и на сегодня ее успели использовать для редактирования геномов десятков живых существ, в том числе и человеческих эмбрионов, в чем сознались китайские генетики в апреле 2015 года. Эти опыты раскрыли главный недостаток CRISPR/Cas9 – редактор, особенно при множественном изменении генов, иногда ошибался и удалял ненужные сегменты ДНК.

Подобное поведение допустимо при генетических экспериментах в лаборатории, но недопустимо в медицинской практике, где подобная опечатка может стоить жизни человеку, в ДНК которого производится “хирургическое вмешательство”.

Кэ и его коллеги нашли потенциально быстрый способ добавить систему исправления подобных “опечаток” в CRISPR/Cas9, изучая другой подобный бактериальный “антивирус” – систему CRISPR/Cas3. Ее главным отличием от CRISPR/Cas9 является то, что она не просто удаляет вирусную ДНК из генома бактерии, а разрушает те последовательности ДНК, “шаблоны” которой есть в противовирусной генетической “базе данных” микроба.

Эта система в прошлом не привлекала внимания ученых потому, что ее нельзя было использовать для того, чтобы удалять небольшие сегменты из ДНК пациентов и заменять их на корректные последовательности генетических “букв”-нуклеотидов. Оказалось, что в нее были встроены системы “верификации” удаляемых последовательностей, которые защищают клетку от того, чтобы CRISPR/Cas3 не уничтожил по ошибке сам геном микроба.

Для обнаружения этих систем ученым пришлось сначала охладить молекулы CRISPR/Cas3 до температур, близких к абсолютному нулю, а затем использовать специальный электронный микроскоп для получения их фотографий на почти атомном уровне.

Эти снимки показали, что система коррекции в CRISPR/Cas3 работает достаточно простым образом. Сначала она ищет в анализируемой ДНК последовательность, похожую на ту, которая содержится в одном из шаблонов из “библиотеки” CRISPR. Если она находит подобный набор “букв”-нуклеотидов, то она изгибает одну из двух нитей ДНК, “отрывая” ее при этом от второй нити, и пытается соединить ее с шаблоном.

В случае, если это удается сделать, система CRISPR/Cas3 меняет свою структуру, вытягивая вторую нить ДНК аналогичным образом, и позволяет белку Cas3 начать их уничтожение. Если шаблон и нить ДНК совпадут не полностью, то петли будут асимметричными, что не позволит Cas3 уничтожить их. Это защищает клетку от случайного уничтожения других участков ДНК, по каким-то причинам похожим на то, как устроен геном вируса.

Изучение того, как работает эта часть CRISPR/Cas3, как надеются ученые, поможет их коллегам понять, как сделать CRISPR/Cas9 более безопасным для редактирования генома человека в терапевтических целях.