Основное редактирование - Prime editing

Основное редактирование это "поиск и замена" редактирование генома технологии в молекулярная биология с помощью которых может быть изменен геном живых организмов. Технология напрямую записывает новую генетическую информацию в целевой участок ДНК. Он использует гибридный белок, состоящий из каталитически ослабленного Cas9 эндонуклеаза слился со спроектированным обратная транскриптаза фермент и первичная редактирующая направляющая РНК (pegRNA), способная идентифицировать целевой сайт и предоставлять новую генетическую информацию для замены нуклеотидов целевой ДНК. Он является посредником в адресной вставки, удаления, а также преобразования оснований в основание без необходимости в двухцепочечных разрывах (DSB) или донорских ДНК-матрицах.[1]

Эта технология представляет собой ранний экспериментальный метод редактирования генома, который привлек внимание широкой прессы из-за ее потенциального использования в медицинской генетике. Он использует методы, аналогичные технологиям редактирования генома-предшественников, в том числе CRISPR / Cas9 и базовые редакторы. По состоянию на 2019 год он остается научным доказательством концепции без терапевтического применения.[1]

Редактирование генома

Компоненты

Компоненты первичного редактирования

Основное редактирование включает три основных компонента:[1]

  • А основное руководство по редактированию РНК (пегРНК), способный (i) идентифицировать целевую нуклеотидную последовательность, подлежащую редактированию, и (ii) кодировать новую генетическую информацию, которая заменяет целевую последовательность. PegRNA состоит из расширенного одиночная направляющая РНК (sgRNA) содержащий сайт связывания праймера (PBS) и обратная транскриптаза (RT) матричная последовательность. Во время редактирования генома сайт связывания праймера позволяет 3’-концу разорванной цепи ДНК гибридизоваться с pegRNA, тогда как матрица RT служит матрицей для синтеза отредактированной генетической информации.[1]
  • Слитый белок, состоящий из Cas9 Никаза H840A, слитая с молони Вирус лейкемии мышей (M-MLV) обратная транскриптаза.[1]
    • Никаза Cas9 H840A: то Cas9 Фермент содержит два нуклеазных домена, которые могут расщеплять последовательности ДНК, домен RuvC, который расщепляет нецелевую цепь, и домен HNH, который расщепляет целевую цепь. Введение замены H840A в Cas9, посредством которой гистидин из 840º аминокислоты заменяется на аланин, инактивирует домен HNH. Имея только функционирующий домен RuvC, каталитически ослабленный Cas9 вводит одноцепочечный разрыв, отсюда и название никаз.[2]
    • Обратная транскриптаза M-MLV: фермент, который синтезирует ДНК из матрицы одноцепочечной РНК.[1]
  • Единая направляющая РНК (sgRNA), которая направляет часть никазы Cas9 H840A слитого белка на разрыв неотредактированной цепи ДНК.[1]

Механизм

Главный механизм редактирования

Редактирование генома происходит путем трансфекции клеток pegRNA и гибридным белком. Трансфекция часто достигается путем введения векторов в клетку. После интернализации слитый белок разрывает последовательность ДНК-мишени, обнажая 3’-гидроксильную группу, которую можно использовать для инициации (праймирования) обратная транскрипция части матрицы ОТ ПЭГРНК. Это приводит к разветвленному промежуточному продукту, который содержит два лоскута ДНК: 3 ’лоскут, который содержит вновь синтезированную (отредактированную) последовательность, и 5’ лоскут, который содержит заменяемую неотредактированную последовательность ДНК. Затем 5’-створка отщепляется структурно-специфической эндонуклеазы или 5 ’ экзонуклеазы. Этот процесс позволяет лигировать 3’-лоскут и создает гетеродуплексную ДНК, состоящую из одной отредактированной цепи и одной неотредактированной цепи. Повторно отожженная двухцепочечная ДНК содержит несовпадения нуклеотидов в том месте, где имело место редактирование. Чтобы исправить несоответствия, клетки используют внутреннюю ремонт несоответствия механизм с двумя возможными результатами: (i) информация из редактируемой цепочки копируется в дополнительную цепочку, при этом редактирование устанавливается навсегда; (ii) исходные нуклеотиды повторно включаются в отредактированную цепь, за исключением редактирования.[1]

Процесс разработки

Во время разработки этой технологии в компоненты было внесено несколько модификаций, чтобы повысить ее эффективность.[1]

Главный редактор 1

В первой системе обратная транскриптаза вируса мышиного лейкоза Молони дикого типа (M-MLV) была слита с С-концом никазы Cas9 H840A. Наблюдалась заметная эффективность редактирования.[1]

Главный редактор 2

Чтобы повысить сродство ДНК-РНК, процессивность фермента и термостабильность, в обратную транскриптазу M-MLV были включены пять аминокислотных замен. Затем мутантный M-MLV RT был включен в PE1 с получением (Cas9 (H840A) -M-MLV RT (D200N / L603W / T330P / T306K / W313F)). Повышение эффективности наблюдалось по сравнению с PE1.[1]

Система PE3 для первичного монтажа

Главный редактор 3

Несмотря на его повышенную эффективность, редактирование, вставленное PE2, все же может быть удалено из-за репарации несоответствия ДНК отредактированной цепи. Чтобы избежать этой проблемы во время разделения гетеродуплекса ДНК, вводится дополнительная одиночная направляющая РНК (sgRNA). Эта sgRNA предназначена для соответствия отредактированной последовательности, введенной pegRNA, но не исходному аллелю. Он направляет часть никазы Cas9 слитого белка к разрыву неотредактированной цепи на соседнем участке, противоположном исходному разрыву. Обрезка неотредактированной цепи заставляет естественную систему восстановления клетки копировать информацию из отредактированной цепи в дополнительную цепь, навсегда устанавливая редактирование.[1]


Последствия

Хотя для повышения эффективности первичного редактирования требуются дополнительные исследования, эта технология предлагает многообещающие научные улучшения по сравнению с другими инструментами редактирования генов. Технология первичного редактирования может исправить подавляющее большинство патогенных аллелей, вызывающих генетические заболевания, поскольку она может восстанавливать вставки, делеции и нуклеотидные замены.[1]

Преимущества

Основной инструмент редактирования предлагает преимущества перед традиционными технологиями редактирования генов. CRISPR / Cas9 правки полагаются на негомологичное соединение концов (NHEJ) или гомологически направленная репарация (HDR) исправлять разрывы ДНК, в то время как основная система редактирования использует Ремонт несоответствия ДНК. Это важная особенность этой технологии, учитывая, что механизмы репарации ДНК, такие как NHEJ и HDR, генерируют нежелательные случайные вставки или удаления (INDELs) побочные продукты, которые усложняют извлечение ячеек с правильным редактированием.[1][3]

Прайм-система вводит разрывы одноцепочечной ДНК вместо двухцепочечных разрывов ДНК, наблюдаемых в других инструментах редактирования, таких как редакторы баз. В совокупности базовое редактирование и первичное редактирование предлагают дополнительные сильные и слабые стороны для создания целевых переходных мутаций. Базовые редакторы предлагают более высокую эффективность редактирования и меньше побочных продуктов INDEL, если желаемое редактирование - это мутация точки перехода и Последовательность PAM существует примерно 15 баз от целевого сайта. Однако, поскольку технология первичного редактирования требует точно позиционированной последовательности PAM для нацеливания на нуклеотидную последовательность, она обеспечивает большую гибкость и точность редактирования. Примечательно, что основные редакторы допускают все типы замен, переходы и трансверсии для вставки в целевую последовательность.[1][3]

Поскольку первичная система включает три отдельных события связывания ДНК (между (i) направляющей последовательностью и целевой ДНК, (ii) сайтом связывания праймера и целевой ДНК, и (iii) 3'-концом разорванной цепи ДНК и pegRNA), было предложено иметь меньше нежелательных побочных эффектов, чем CRISPR / Cas9.[1][3]

Ограничения

Существует значительный интерес к применению методов редактирования генов для лечения заболеваний с генетической составляющей. Однако с этим подходом связано множество проблем. Эффективное лечение потребует редактирования большого количества клеток-мишеней, что, в свою очередь, потребует эффективного метода доставки и высокого уровня тканевой специфичности.[1][4]

По состоянию на 2019 год первичное редактирование выглядит многообещающим для относительно небольших генетических изменений, но необходимо провести дополнительные исследования, чтобы оценить, эффективна ли технология для внесения более крупных изменений, таких как целевые вставки и удаления. Для более крупных генетических изменений потребуется более длинная матрица RT, которая может препятствовать эффективной доставке pegRNA к клеткам-мишеням. Кроме того, пегРНК, содержащая длинную матрицу ОТ, может стать уязвимой для повреждений, вызванных клеточными ферментами.[1][4]

В целом, потребуется провести много исследований, прежде чем первичное редактирование можно будет использовать для исправления патогенных аллелей при заболеваниях человека.[1][4]

Способ доставки

Базовые редакторы, используемые для первичного редактирования, требуют доставки как белка, так и молекулы РНК в живые клетки. Внедрение технологий редактирования экзогенных генов в живые организмы является серьезной проблемой. Один из возможных способов внедрить базовый редактор в животных и растения - это упаковать базовый редактор в вирусный капсид. Затем целевой организм может быть трансдуцирован вирусом для синтеза основного редактора. in vivo. Общие лабораторные векторы трансдукции, такие как лентивирус вызывают иммунный ответ у людей, поэтому предлагаемые методы лечения людей часто сосредоточены вокруг аденоассоциированный вирус (AAV), потому что инфекции AAV в основном протекают бессимптомно. К сожалению, эффективная упаковочная емкость векторов AAV мала, примерно 4,4 килобайт без учета инвертированных концевых повторов.[5] Для сравнения, слитый белок SpCas9-обратная транскриптаза имеет размер 6,3 kb,[6][7] который даже не учитывает удлиненную направляющую РНК, необходимую для нацеливания и праймирования интересующего сайта.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б c d е ж г час я j k л м п о п q р s Анзалоне, Эндрю В .; Randolph, Peyton B .; Дэвис, Джесси Р .; Суза, Александр А .; Коблан, Люк В .; Леви, Джонатан М .; Чен, Питер Дж .; Уилсон, Кристофер; Ньюби, Грегори А .; Рагурам, Адитья; Лю, Дэвид Р. (21 октября 2019 г.). «Редактирование генома с поиском и заменой без двухцепочечных разрывов или донорской ДНК». Природа. 576 (7785): 149–157. Bibcode:2019Натура 576..149A. Дои:10.1038 / s41586-019-1711-4. ЧВК  6907074. PMID  31634902.
  2. ^ Ран, Ф. Энн; Сюй, Патрик Д .; Линь, Чи-Ю; Гутенберг, Джонатан С .; Конерманн, Сильвана; Trevino, Alexandro E .; Скотт, Дэвид А .; Иноуэ, Азуса; Матоба, Сёго; Чжан, И; Чжан, Фэн (сентябрь 2013 г.). «Двойной щелчок с помощью CRISPR Cas9 под управлением РНК для повышения специфичности редактирования генома». Ячейка. 154 (6): 1380–1389. Дои:10.1016 / j.cell.2013.08.021. ЧВК  3856256. PMID  23992846.
  3. ^ а б c Шеридан, Кормак (7 ноября 2019 г.). «Редактирование генов входит в« прайм-тайм »». Природа Биотехнологии. Дои:10.1038 / d41587-019-00032-5.
  4. ^ а б c «Ученый Дэвид Лю отвечает на ваши вопросы о CRISPR и главном редактировании». СТАТИСТИКА. 2019-11-06. Получено 2020-02-28.
  5. ^ У Чжицзянь; Ян, Хунъянь; Колози, Питер (2010). «Влияние размера генома на упаковку вектора AAV». Молекулярная терапия. 18 (1): 80–86. Дои:10.1038 / мт.2009.255. ЧВК  2839202. PMID  19904234.
  6. ^ Анзалоне, Эндрю В .; Randolph, Peyton B .; Дэвис, Джесси Р .; Суза, Александр А .; Коблан, Люк В .; Леви, Джонатан М .; Чен, Питер Дж .; Уилсон, Кристофер; Ньюби, Грегори А .; Рагурам, Адитья; Лю, Дэвид Р. (декабрь 2019 г.). «Редактирование генома с поиском и заменой без двухцепочечных разрывов или донорской ДНК». Природа. 576 (7785): 149–157. Bibcode:2019Натура 576..149A. Дои:10.1038 / s41586-019-1711-4. ЧВК  6907074. PMID  31634902.
  7. ^ https://www.addgene.org/132775/

Изображения созданы с помощью Biorender.[1]

  1. ^ «Биорендер».