Представлен инструмент нового поколения для редактирования генома растений

Редактирование генома является одним из самых преобразующих научных прорывов нашего времени. Оно позволяет нам погрузиться в сам код жизни и вносить точные изменения. Представьте себе возможность переписать генетические инструкции, которые определяют почти все в организме — как он выглядит, ведет себя, взаимодействует с окружающей средой и его уникальные характеристики. В этом сила редактирования генома.

Мы используем инструменты редактирования генома для настройки генетических последовательностей микробов, животных и растений. Наша цель? Развивать желаемые черты и устранять нежелательные. Влияние этой технологии ощущается в биотехнологии, терапии человека и сельском хозяйстве, принося быстрые достижения и решения.

Наиболее широко используемые белки в редактировании генома — Cas9 и Cas12a. Эти белки подобны ножницам генетического мира, позволяя нам резать и редактировать ДНК. Однако они довольно громоздкие, состоящие из 1000–1350 аминокислот. Продвинутые технологии редактирования, такие как редактирование оснований и редактирование праймов, требуют слияния дополнительных белков с Cas9 и Cas12a, что делает их еще громоздче. Эта громоздкость создает проблему для эффективной доставки этих белков в клетки, где находится генетический материал.

Но теперь у нас есть захватывающая разработка — миниатюрная альтернатива, которая обещает преодолеть это ограничение. В нашей недавней статье в Журнал биотехнологии растениймы представили TnpB — небольшой, но высокоэффективный инструмент нового поколения для редактирования генома растений.

TnpB — крошечные предки нуклеазы Cas12

Белки TnpB — это транспозон-ассоциированные нуклеазы, управляемые РНК. Они считаются эволюционными предками нуклеаз Cas12. Хотя TnpB функционально похож на Cas12a, он гораздо компактнее, с общим количеством аминокислот в диапазоне от 350 до 500. Для сравнения, TnpB в три раза меньше Cas9 и Cas12a. Если Cas9 и Cas12a похожи на футбольные мячи, то TnpB похожи на бейсбольные мячи.

Мы разработали гиперкомпактный редактор генома с использованием нуклеазы TnpB из Deinococcus radiodurans. Эта бактерия известна своей способностью выживать в экстремальных условиях и своей замечательной устойчивостью к радиации. Наш TnpB, полученный из D. radiodurans, состоит всего из 408 аминокислот.

Короткая РНК служит проводником для TnpB, направляя его к целевой последовательности ДНК. Указанный этой РНК, TnpB связывается с целью и расщепляет обе нити ДНК. Когда разорванные концы повторно запечатываются клеткой, могут непреднамеренно происходить вставки или делеции букв ДНК. Эти вставки или делеции приводят к модификации генетических последовательностей.

Существует дополнительный уровень специфичности: целевая последовательность должна быть смежной с последовательностью транспозон-ассоциированного мотива (TAM). Эта TAM аналогична последовательности PAM Cas9 и Cas12. Для TnpB из D. radiodurans специфическим TAM является TTGAT, который должен присутствовать выше последовательности-мишени. В этом смысле TnpB может получить доступ к геномным локусам, которые Cas9 не может достичь.

Повторное использование TnpB для редактирования генома растений

Сначала мы оптимизировали последовательность кодонов для белка TnpB, чтобы разработать редактор генома для растительных систем. Мы также оптимизировали комбинации регуляторных элементов, чтобы производить достаточно направляющей РНК для высокоэффективного редактирования генома растений. Протестировав четыре различные версии векторных систем редактирования генома в протопластах риса, мы определили наиболее эффективную версию.

Рис — однодольное растение, а системы, которые хорошо работают в однодольных, могут не работать так же хорошо в двудольных. Поэтому мы создали специфичные для двудольных векторы TnpB и продемонстрировали успешное редактирование в Arabidopsis. Интересно, что мы наблюдали, что делеции в основном происходили в целевых локусах как в рисе, так и в Arabidopsis. Это делает TnpB подходящим для эффективного нарушения функций генов. Теперь TnpB можно использовать для введения генетических мутаций с целью нарушения нежелательных генов для удаления антипитательных факторов, повышения содержания питательных веществ, устойчивости к биотическим и абиотическим стрессам и многого другого.

Мертвый TnpB для активации генов и замены отдельных букв ДНК

Хотя TnpB в своей нативной форме действует как программируемые ножницы, его также можно адаптировать для привлечения факторов, активирующих гены. Инактивируя его режущую способность, мы разработали деактивированный TnpB (dTnpB). dTnpB сохраняет свою способность связываться с целевой ДНК, указанной направляющей РНК. Затем мы слили dTnpB с дополнительными белками-грузами, чтобы направить их к целевым генам, сделав эти гены более активными. Этот инструмент активации может усилить функцию генов, прокладывая путь к созданию лучших культур в будущем.

Аналогичным образом мы слили другой транспортный белок с dTnpB, чтобы разработать инструмент, способный менять одну букву ДНК на другую. Этот точный инструмент позволит производить сельскохозяйственные инновации, изменяя генетический код с разрешением в одну букву.

Мы используем этот миниатюрный редактор генома для создания рисовых растений с улучшенной урожайностью и повышенной устойчивостью к климату. Наши исследования выделяют TnpB как очень универсальный и перспективный инструмент для генной инженерии растений. Мы ожидаем, что биологи растений, биотехнологи и селекционеры примут TnpB для использования в различных культурах.

Эта история является частью Science X Dialog, где исследователи могут сообщать о результатах своих опубликованных исследовательских статей. Посетите эту страницу для получения информации о Science X Dialog и о том, как принять участие.

Доктор Кутубуддин Молла — ученый, специализирующийся на сельскохозяйственной биотехнологии в ICAR-National Rice Research Institute (NRRI) в Каттаке, Индия. Он получил степень доктора философии в Университете Калькутты, Колката. Доктор Молла проводил постдокторские исследования в Университете штата Пенсильвания по стипендии Фулбрайта.

Научные интересы доктора Моллы сосредоточены на точном редактировании генома, использовании CRISPR-Cas и других передовых методов для улучшения сельскохозяйственных культур. Его лаборатория в NRRI занимается разработкой новых инструментов редактирования генома и их применением для повышения урожайности сельскохозяйственных культур.