|
Инструмент для редактирования генома растений
|
|
|
|
Редактирование генома является одним из самых революционных научных достижений нашего времени. Оно позволяет нам проникнуть в сам код жизни и внести точные изменения. Представьте, что вы можете переписать генетические инструкции, которые определяют практически 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 корректировки генетических последовательностей микробов, животных и растений. Наша цель? Развить желаемые признаки и устранить нежелательные. Влияние этой технологии ощущается в биотехнологиях, терапии человека и сельском хозяйстве, что приводит к быстрому прогрессу и решениям.
|
|
|
|
Наиболее широко используемыми белками для редактирования генома являются Cas9 и Cas12a. Эти белки подобны ножницам в мире генетики, позволяющим нам вырезать и редактировать ДНК. Однако они довольно громоздкие и состоят из 1000-1350 аминокислот. Передовые технологии редактирования, такие как базовое редактирование и первичное редактирование, требуют слияния дополнительных белков с Cas9 и Cas12a, что делает их еще более объемными. Такая громоздкость создает проблемы для эффективной доставки этих белков в клетки, где находится генетический материал.
|
|
|
Но теперь у нас есть потрясающая разработка — миниатюрная альтернатива, которая обещает преодолеть это ограничение. В нашей недавней статье в журнале Plant Biotechnology мы представили TnpB, более компактный, но высокоэффективный инструмент нового поколения для редактирования генома растений.
|
|
TNPB - это крошечные предки нуклеазы Cas12
|
|
|
|
Белки TnpB являются транспозон-ассоциированными нуклеазами, управляемыми РНК. Они считаются эволюционными предками нуклеаз Cas12. Хотя TnpB функционально похож на Cas12a, он гораздо компактнее, а общее количество аминокислот колеблется в пределах 350-500. Для сравнения, TnpB на треть меньше, чем Cas9 и Cas12a. Если Cas9 и Cas12a похожи на футбольные мячи, то TnpBs похожи на бейсбольные мячи.
|
|
|
|
Мы разработали сверхкомпактный редактор генома, используя нуклеазу TnpB из Deinococcus radiodurans. Эта бактерия известна своей способностью выживать в экстремальных условиях и замечательной устойчивостью к радиации. Наш TnpB, полученный из D. radiodurans, содержит всего 408 аминокислот.
|
|
|
|
Короткая РНК служит проводником для TnpB, направляя его к последовательности ДНК-мишени. Заданная этой РНК, TnpB связывается с мишенью и расщепляет обе нити ДНК. Когда клетки склеивают разорванные концы, могут непреднамеренно произойти вставки или удаления букв ДНК. Эти вставки или удаления приводят к модификации генетических последовательностей.
|
|
|
|
Существует дополнительный уровень специфичности: последовательность-мишень должна быть смежной с последовательностью мотива, ассоциированного с транспозоном (TAM). Эта последовательность TAM аналогична последовательности PAM в Cas9 и Cas12. Для TnpB из D. radiodurans специфичным TAM является TTGAT, который должен присутствовать перед целевой последовательностью. В этом смысле TnpB может получить доступ к геномным локусам, недоступным Cas9.
|
|
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 получить достаточное количество направляющей РНК для высокоэффективного редактирования генома растений. Протестировав четыре различные версии векторных систем редактирования генома в протопластах риса, мы определили наиболее эффективную версию.
|
|
|
|
Рис относится к однодольным растениям, и системы, которые хорошо работают на однодольных растениях, могут работать не так хорошо на двудольных. Поэтому мы создали специфичные для двудольных растений векторы TnpB и продемонстрировали успешное редактирование на арабидопсисе. Интересно, что мы наблюдали, что делеции в основном происходили в целевых локусах как у риса, так и у арабидопсиса. Это делает TnpB подходящим для эффективного нарушения функций генов. Теперь TnpB можно использовать для внесения генетических мутаций, разрушающих нежелательные гены, для устранения антипитательных факторов, повышения содержания питательных веществ, устойчивости к биотическим и абиотическим стрессам и многого другого.
|
|
Готовый TnpB для активации генов и замены одной буквы ДНК
|
|
|
|
В то время как TnpB в своей естественной форме действует как программируемые ножницы, его также можно адаптировать для набора факторов, активирующих гены. Инактивировав его режущую способность, мы разработали дезактивированный TnpB (dTnpB). dTnpB сохраняет способность связываться с ДНК-мишенью, указанной направляющей РНК. Затем мы соединили dTnpB с дополнительными грузовыми белками, чтобы направить их к генам-мишеням, сделав эти гены более активными. Этот инструмент активации может повысить функцию генов, прокладывая путь к получению лучших урожаев в будущем.
|
|
|
|
Аналогичным образом, мы объединили другой грузовой белок с dTnpB, чтобы разработать инструмент, способный заменять одну букву ДНК на другую. Этот точный инструмент позволит внедрять инновации в растениеводство, изменяя генетический код с разрешением в одну букву.
|
|
|
|
Мы используем этот миниатюрный редактор генома для создания растений риса с повышенной урожайностью и устойчивостью к изменению климата. Наши исследования показывают, что TnpB является универсальным и многообещающим инструментом для разработки генома растений. Мы ожидаем, что биологи растений, биотехнологи и селекционеры примут TnpB для использования в различных культурах.
|
|
|
|
Источник
|
