Исследователи из Пенсильванского университета добились крупного прорыва в технологии искусственных хромосом человека, разработав новый метод, упрощающий создание HAC. Это нововведение обещает ускорить исследования ДНК и может существенно повлиять на генную терапию и биотехнологию, предлагая надежную альтернативу нынешним системам доставки генов и расширяя потенциал генной инженерии в различных областях.
Исследователи указывают, что этот метод повысит эффективность лабораторных исследований и расширит возможности генной терапии.
Искусственные хромосомы человека (HAC), которые функционируют внутри клеток человека, обладают потенциалом совершить революцию в генной терапии, включая лечение некоторых видов рака, и имеют многочисленные лабораторные применения. Однако значительные технические проблемы препятствовали их прогрессу.
Теперь команда, возглавляемая исследователями из Медицинской школы Перельмана Пенсильванского университета, совершила значительный прорыв в этой области, который эффективно обходит общий камень преткновения.
В исследовании, недавно опубликованном в Наукаисследователи объяснили, как они разработали эффективную технику изготовления HAC из отдельных длинных конструкций дизайнерских ДНК. Предыдущие методы создания HAC были ограничены тем фактом, что конструкции ДНК, используемые для их создания, имели тенденцию объединяться – «мультимеризоваться» – в непредсказуемо длинные серии и с непредсказуемыми перегруппировками. Новый метод позволяет создавать HAC быстрее и точнее, что, в свою очередь, напрямую ускорит скорость проведения исследований ДНК. Со временем, при наличии эффективной системы доставки, этот метод может привести к созданию более совершенных клеточных методов лечения таких заболеваний, как рак.
Обновление конструкции HAC
«По сути, мы полностью пересмотрели старый подход к разработке и доставке HAC», — сказал Бен Блэк, доктор философии, профессор биохимии и биофизики Фонда Элдриджа Ривза Джонсона в Пенсильванском университете. «Построенный нами HAC очень привлекателен для возможного использования в биотехнологических приложениях, например, там, где желательна крупномасштабная генная инженерия клеток. Плюсом является то, что они существуют рядом с естественными хромосомами без необходимости изменять естественные хромосомы в клетке».
Первые HAC были разработаны 25 лет назад, и технология искусственных хромосом уже хорошо развита для более мелких и простых хромосом низших организмов, таких как бактерии и дрожжи. Другое дело — человеческие хромосомы, во многом из-за их большего размера и более сложных центромер — центральной области, где соединяются Х-образные плечи хромосом. Исследователям удалось получить небольшие искусственные человеческие хромосомы из самосвязывающихся участков ДНК, добавленных к клеткам, но эти участки ДНК мультимеризуются с непредсказуемой организацией и количеством копий, что усложняет их терапевтическое или научное использование, и образующиеся в результате HAC иногда даже заканчиваются. они включили кусочки естественных хромосом из клеток-хозяев, что сделало их редактирование ненадежным.
В своем исследовании исследователи из Penn Medicine разработали улучшенные HAC с множеством инноваций: они включали более крупные исходные конструкции ДНК, содержащие более крупные и сложные центромеры, которые позволяют HAC формироваться из отдельных копий этих конструкций. Для доставки к клеткам они использовали систему доставки на основе дрожжевых клеток, способную переносить более крупные грузы.
«Например, вместо того, чтобы пытаться ингибировать мультимеризацию, мы просто обошли проблему, увеличив размер входной конструкции ДНК, чтобы она естественным образом имела тенденцию оставаться в предсказуемой форме одной копии», — сказал Блэк.
Исследователи показали, что их метод гораздо более эффективен в формировании жизнеспособных HAC по сравнению со стандартными методами, и дает HAC, которые могут воспроизводиться во время деления клеток.
Преимущества и будущие применения
Потенциальные преимущества искусственных хромосом (при условии, что их можно легко доставить в клетки и действовать как естественные хромосомы) многочисленны. Они могли бы предложить более безопасные, продуктивные и долговечные платформы для экспрессии терапевтических генов, в отличие от вируссистемы доставки генов, которые могут запускать иммунные реакции и включать вредоносное встраивание вируса в естественные хромосомы. Нормальная экспрессия генов в клетках также требует множества локальных и отдаленных регуляторных факторов, которые практически невозможно воспроизвести искусственно вне хромосомоподобного контекста. Более того, искусственные хромосомы, в отличие от относительно ограниченных вирусных векторов, позволят экспрессировать большие кооперативные ансамбли генов, например, для создания сложных белковых машин.
Блэк ожидает, что тот же широкий подход, который его группа использовала в этом исследовании, будет полезен при создании искусственных хромосом для других высших организмов, включая растения для сельскохозяйственного применения, такие как устойчивые к вредителям высокоурожайные культуры.
Ссылка: «Эффективное формирование однокопийных искусственных хромосом человека», Крейг В. Гамбоги, Габриэль Дж. Бирчак, Эли Мер, Дэвид М. Браун, Джордж Янксон, Кэтрин Киксмеллер, Джанардан Н. Гаваде, Джош Л. Эспиноза, Пракрити Кашьяп. , Крис Л. Дюпон, Гленнис А. Логсдон, Патрик Хён, Джон И. Гласс и Бен Э. Блэк, 21 марта 2024 г., Наука.
DOI: 10.1126/science.adj3566.
В исследовании также приняли участие исследователи из Института Дж. Крейга Вентера, Эдинбургского университета и Технического университета Дармштадта.
Работу поддержали Национальные институты здоровья (GM130302, HG012445, CA261198 и GM007229).