искусственный интеллект в науке

Технология CRISPR совершила революцию в редактировании генома, предоставив ученым точный и эффективный инструмент для изменения последовательности ДНК. В основе системы — белок Cas9, который разрезает ДНК, и направляющая (гидовая) РНК, которая указывает место разреза. Именно направляющая РНК делает систему такой удобной: с её помощью исследователи могут «запрограммировать» CRISPR на редактирование нужного гена. Однако у CRISPR-Cas9 есть ограничения. Система разрезает только те последовательности ДНК, где есть специальные короткие участки — PAM. К тому же Cas9 — довольно крупный белок, что затрудняет его доставку в клетки.

Команда ученых из Института исследований мозга Макговерна MIT, Института Броуда при MIT и Гарварда решила найти альтернативу CRISPR-Cas. Руководитель исследования Фэн Чжан уже внес значительный вклад в развитие технологии, адаптировав CRISPR для работы в клетках человека. В новом исследовании, опубликованном в Science, ученые попытались выяснить: существуют ли в природе другие системы редактирования с направляющей РНК?

Рис. 1. Белок Tas связывает целевую последовательность ДНК с помощью направляющей РНК. Автор изображения: Макс Уилкинсон; источник: [1]

Исследователи сосредоточились на ключевой особенности Cas9 — его способности связываться с направляющей РНК. Проанализировав сотни миллионов известных и предсказанных белковых структур, ученые обнаружили бактериальный белок IS110, который тоже взаимодействует с РНК. Это открытие стало отправной точкой для дальнейших поисков. Вскоре данных накопилось так много, что традиционные методы эволюционного анализа перестали справляться.

Тогда команда обратилась к искусственному интеллекту. Модель машинного обучения помогла упорядочить данные и сгруппировать белки по эволюционному родству. Одна из систем сразу привлекла внимание ученых: её гены содержали регулярно повторяющиеся последовательности, схожие с важным элементом CRISPR-систем. Так исследователи обнаружили новую систему, способную специфически связывать ДНК — TIGR-Tas.

Команда выявила более 20 тыс. различных белков Tas, большинство из которых встречаются у бактериофагов — вирусов бактерий. Как и Cas9, эти белки используют короткие направляющие РНК для поиска целевых участков ДНК (Рис. 1). Некоторые Tas-белки разрезают ДНК сами, а другие, по-видимому, взаимодействуют с другими белками, направляя их к нужным участкам генома.

На основе TIGR-Tas ученые надеются создать новый метод геномного редактирования. «Природа удивительна. В ней скрыто огромное количество биологических механизмов, и наша цель — находить их и адаптировать для управления процессами в живых клетках», — отметил Чжан.

Системы TIGR обладают рядом преимуществ перед CRISPR и другими инструментами редактирования генома. Во-первых, Tas-белки в четыре раза меньше, чем Cas9, что значительно упрощает их доставку в клетки. Во-вторых, TIGR-системы более гибкие: они могут нацеливаться на любую последовательность ДНК, а не только на участки с PAM-мотивами, как CRISPR.

Некоторые TIGR-системы используют сразу две направляющие РНК, связывая обе цепи ДНК. Такой способ связывания повышает точность и снижает риск редактирования в неправильных местах — это одна из ключевых проблем, с которыми сталкивается генная терапия. Еще одно важное свойство — модульность. Некоторые системы включают несколько Tas-белков с разными функциями, такими как разрезание ДНК или привлечение дополнительных белков. Это позволяет ученым комбинировать элементы и создавать более сложные инструменты не только для редактирования генома, но и для управления работой генов и другими клеточными процессами.

Ученые уже показали, что некоторые Tas-белки можно «запрограммировать» на разрезание ДНК в клетках человека, а также установили молекулярную структуру одного из таких белков. Сейчас команда Чжана работает над усовершенствованием TIGR для практического применения в биоинженерии и медицине.

Исследователи также предполагают, что Tas-белки эволюционно связаны с белками, участвующими в «созревании» РНК в клетках человека. Если это подтвердится, значит, в нашем организме уже есть схожие механизмы, и TIGR-Tas может стать прорывом в генной терапии.