Вчені розробили нову техніку для формування штучних хромосом людини

Дослідники вказують, що ця методика підвищить ефективність лабораторних досліджень і розширить сферу застосування генної терапії. Штучні людські хромосоми, які функціонують у людських клітинах, мають потенціал для революції в генній терапії, включаючи лікування деяких видів раку, і мають численні лабораторні застосування. Однак значні технічні проблеми завадили їх прогресу.

Тепер команда під керівництвом дослідників з Медичної школи Перельмана в Університеті Пенсільванії зробила значний прорив у цій галузі, який ефективно обходить загальний камінь спотикання.

У дослідженні, нещодавно опублікованому в Science, дослідники пояснили, як вони винайшли ефективну техніку створення HAC з окремих довгих конструкцій дизайнерської ДНК. Попередні методи створення HAC були обмежені тим фактом, що конструкти ДНК, які використовуються для їх створення, мають тенденцію з’єднуватися разом — «мультимеризуватися» — у непередбачувано довгі серії та з непередбачуваними перегрупуваннями. Новий метод дозволяє створювати HAC швидше та точніше, що, своєю чергою, безпосередньо пришвидшить швидкість дослідження ДНК. З часом, завдяки ефективній системі доставки, ця методика може призвести до кращої клітинної терапії таких захворювань, як рак.

Капітальний ремонт HAC Design

«По суті, ми повністю змінили старий підхід до проектування та доставки HAC», — сказав Бен Блек, доктор філософії, професор біохімії та біофізики Фонду Елдріджа Рівза Джонсона в Пенсильванії. «HAC, який ми створили, дуже привабливий для можливого розгортання в біотехнологічних додатках, наприклад, де потрібна широкомасштабна генна інженерія клітин. Бонусом є те, що вони існують поряд з природними хромосомами без необхідності змінювати природні хромосоми в клітині».

Перші HAC були розроблені 25 років тому, і технологія штучних хромосом уже добре розвинена для менших, простіших хромосом нижчих організмів, таких як бактерії та дріжджі. Людські хромосоми – це інша справа, головним чином через їхні більші розміри та складніші центромери, центральну область, де з’єднуються плечі Х-подібних хромосом. Дослідникам вдалося сформувати невеликі штучні хромосоми людини з самоз’єднаних відрізків ДНК, доданих до клітин, але ці відрізки ДНК мультимеризуються з непередбачуваною організацією та кількістю копій, що ускладнює їх терапевтичне чи наукове використання, і в результаті HAC іноді навіть закінчується. включаючи біти природних хромосом зі своїх клітин-господарів, що робить їх редагування ненадійними.

У своєму дослідженні дослідники Penn Medicine розробили вдосконалені HAC з кількома інноваціями: вони включали більші початкові конструкції ДНК, що містять більші та складніші центромери, які дозволяють формувати HAC з окремих копій цих конструкцій. Для доставки в клітини вони використовували систему доставки на основі дріжджових клітин, здатну перевозити більші вантажі.

«Замість того, щоб намагатися пригнічувати мультимеризацію, наприклад, ми просто обійшли проблему, збільшивши розмір вхідної конструкції ДНК, щоб вона природним чином залишалася в передбачуваній формі однієї копії», — сказав Блек.

Дослідники показали, що їхній метод був набагато ефективнішим у формуванні життєздатних HAC порівняно зі стандартними методами, і дав HAC, які могли відтворюватися під час поділу клітин.

Переваги та майбутні застосування

Потенційних переваг штучних хромосом — за умови, що їх можна легко доставити до клітин і працювати як природні хромосоми — багато. Вони запропонували б безпечніші, продуктивніші та довговічніші платформи для експресії терапевтичних генів, на відміну від систем доставки генів на основі вірусів , які можуть запускати імунні реакції та передбачати вбудовування шкідливого вірусу в природні хромосоми. Нормальна експресія генів у клітинах також вимагає багатьох локальних і віддалених регуляторних факторів, які практично неможливо штучно відтворити поза хромосомним контекстом. Крім того, штучні хромосоми, на відміну від відносно вузьких вірусних векторів, дозволять експресію великих кооперативних ансамблів генів, наприклад, для створення складних білкових машин.

Блек очікує, що той самий широкий підхід, який його група застосувала в цьому дослідженні, буде корисним для створення штучних хромосом для інших вищих організмів, включаючи рослини для сільськогосподарського застосування, такі як стійкі до шкідників високоврожайні культури.