Прорыв в CRISPR/Cas: ученые усовершенствовали генетические ножницы

17.05.2024
Технологии
258
Локальная генетическая модификация с использованием метода редактирования генов CRISPR/Cas в листьях австралийского табака Nicotiana benthamiana

Ученым из Института биохимии растений им. Лейбница (IPB) удалось стабильно, точно и эффективно внедрять большие сегменты генов в ДНК высших растений. Для этого они усовершенствовали метод редактирования генов CRISPR / Cas, широко известный как «генетические ножницы». Усовершенствованный метод CRISPR открывает большие возможности для целенаправленной модификации генов высших растений, как для селекции, так и для научных исследований. Сообщение о научном достижении опубликовано на сайте научного учреждения.

Отмечается, что CRISPR / Cas это метод с огромным потенциалом для целенаправленной модификации отдельных генов. Однако это не относится ко всем видам генетических модификаций, которые есть в списках пожеланий селекционеров и ученых.

Генетические ножницы идеально подходят для «нокаутирования» (отключения или удаления) генов, но плохо подходят для точной вставки генов или замены их сегментов. На сегодняшний день генетические ножницы были слишком неэффективны и, следовательно, малопригодны для целенаправленного внедрения генов в ДНК высших растений.

«Причиной этого является внутренний механизм восстановления ДНК в растении. Ферменты восстановления присутствуют, как только происходит повреждение ДНК. Они распознают разрезы, сделанные генетическими ножницами, и мгновенно соединяют две разорванные нити ДНК в двойную спираль. Это склеивание разрезанной ДНК происходит очень быстро и не очень точно. При этом теряются или добавляются крошечные участки ДНК. Эти неточности не являются проблемой в нокаутирующих проектах и даже желательны, потому что я все равно хочу отключить ген. Но, если я хочу вставить ген, генетическая информация должна быть введена точно: ни один компонент не должен отсутствовать, ни один дополнительный компонент не может быть интегрирован. В противном случае ген теряет свою функцию и весь эксперимент был напрасным», – говорит доктор Том Шрайбер.

По этой причине точная вставка более крупных генов или сегментов ДНК при помощи CRISPR / Cas была успешной только в редких отдельных случаях. Чтобы увеличить вероятность успешной вставки гена, ученые из Галле оснастили генетические ножницы дополнительным ферментом, так называемой экзонуклеазой.

Экзонуклеазы могут изменять участки расщепления ДНК, созданные генетическими ножницами, таким образом, что внутренние репаративные ферменты клетки больше не могут распознавать и исправлять повреждения ДНК. Таким образом, у сегмента ДНК, который будет вставлен CRISPR / Cas, будет достаточно времени, чтобы интегрироваться в нужном положении с помощью другого, очень точного механизма клеточной репарации.

В ходе эксперимента ученые из Галле протестировали различные экзонуклеазы вирусного, бактериального, растительного и человеческого происхождения на предмет их способности увеличивать количество событий точной вставки генов.

Они внедрили генетические ножницы с соответствующими экзонуклеазами и сегментом гена X в клетки листьев растения табака Nicotiana benthamiana и провели ряд экспериментов.

С помощью протестированных экзонуклеаз стабильное, то есть наследуемое, включение генов оказалось успешным у арабидопсиса с десятикратным увеличением частоты и у пшеницы более чем на одном проценте дочерних растений.

«На первый взгляд 1% – это не так уж много. Но если селекционер хочет внедрить определенный признак в свое растение, ему нужно будет всего лишь провести скрининг около 50-100 дочерних растений первого поколения с использованием нашего оптимизированного метода CRISPR / Cas, чтобы найти растение с желаемым признаком. Это позволило бы сэкономить значительное количество времени по сравнению с традиционными методами селекции, когда для этой цели необходимо было бы проанализировать от 500 до 1000 растений», – объяснил Том Шрайбер.

Таким образом оптимизированный метод CRISPR / Cas является многообещающим инструментом для целенаправленного встраивания генов в высшие растения и, возможно, в другие организмы.

В будущем селекционеры растений могли бы использовать этот метод для повторного введения утраченных генов устойчивости к патогенам из диких видов или старых культурных сортов в современные высокоурожайные элитные сорта.

Подобные желательные признаки могли бы улучшить селекцию растений и способствовать созданию более устойчивых сортов сельскохозяйственных культур. Для науки этот подход открывает большие возможности для замены определенных генов растений их модифицированными копиями за один шаг, в том числе метод можно использовать для выяснения функции генов.

Опубликован топ компаний – мировых производителей ГМО-семян

Впервые в мире получены генетически отредактированные растения тритикале