"Цинковые пальцы": Новый метод редактирования генов, созданный ИИ может прийти на смену CRISPR

В рамках нового научного эксперимента были разработаны, как говорят сами исследователи, "первые в мире простые, модифицируемые белки". Так называемые "цинковые пальцы" (структурный мотив белка, стабилизированный одним или двумя ионами цинка), эти уникальные протеины были получены благодаря технологии искусственного интеллекта.

Может ли эта новая технология "цинковых пальцев" заменить CRISPR (от англ. clustered regularly interspaced short palindromic repeats)? Journal Intereting Engineering. Natali_Mis/iStock.

Ученые из Университета Торонто и Медицинской школы Гроссмана Нью-Йоркского университета придумали способ, который, как ожидается, ускорит процесс разработки и внедрения генных терапий. Новое открытие может коренным образом изменить подход к устранению мутаций в ДНК, появляющихся с течением времени. Отчасти это связано с тем, что наши гены естественным образом с возрастом изменяются, что неизбежно приводит к возникновению тех или иных ошибок. Либо, конечно, из-за генетических нарушений, унаследованных при рождении.

Ошибки в последовательности "букв" ДНК, в которых записаны инструкции для каждой человеческой клетки, приводят к таким заболеваниям, как муковисцидоз, болезнь Тей-Сакса и серповидно-клеточная анемия. С помощью методов редактирования генов, способных переставлять эти буквы местами, ученые иногда могут исправить эти ошибки. (Буквы ДНК это 4 нуклеотида или фрагмента ДНК, А (аденин), Т (тимин), Г (гуанин) и Ц (цитозин).

Читайте также: Тропоэластин: Найден способ полностью восстановить сердце после инфаркта.

Другие нарушения возникают не из-за дефектов в самом коде, а из-за ошибок считывания ДНК клеточным механизмом (это называется эпигенетическими нарушениями). Ген, который сообщает клетке, как производить определенный белок, обычно взаимодействует с другими молекулами, называемыми факторами транскрипции, определяющими, сколько именно такого белка нужно произвести.

Когда такой процесс идет некорректно, чрезмерно активные или недостаточно активные гены становятся причиной неврологических заболеваний, диабета или онкологии. Поэтому ученые ищут способы вернуть эпигенетическую активность в исходное состояние.

Одним из методов, позволяющих изменить и отрегулировать гены, является система редактирование генома "цинковыми пальцами". Цинковые пальцы - один из самых распространенных типов белковых структур в нашем организме. Они могут регулировать процесс восстановления ДНК путем захвата ферментов и вырезать неправильные части кода.

Мотив цинкового пальца или домен цинкового пальца - это распространенный белковый мотив, который связывает ионы цинка и образует структуру, похожую на палец. Эта пальцеобразная структура связывается с основной бороздкой ДНК и регулирует ее транскрипцию. Journal Intereting Engineering, Wikipedia, Journal Eurekalert, journal Nature Biotechnology.

Если вы не знаете, цинковый палец — это небольшой структурный мотив белка, стабилизированный одним или двумя ионами цинка, связанными координационными связями с аминокислотными остатками в составе протеина. Цинковые пальцы обычно состоят из нескольких бета-листов и альфа-спиралей, а остатки цистеина и гистидина удерживают ионы цинка вместе.

Они содержатся в различных белках, включая факторы транскрипции, ДНК-связывающие белки и ферменты. Они необходимы для многих биологических процессов, например, для восстановления ДНК, управления работой генов и взаимодействия с другими белками.

Читайте также: Внутреннее ядро Земли остановило вращение и, возможно, повернуло в обратную сторону - считают учёные.

Цинковые пальцы могут присоединяться к факторам транскрипции и притягивать их к области гена, которую необходимо отрегулировать. Генные инженеры могут корректировать активность любого гена, изменяя такие инструкции. Однако процесс создания искусственных цинковых пальцев, способных выполнять необходимую работу, является достаточно сложным. 

Для того чтобы добиться желаемого генетического эффекта, исследователям приходится анализировать огромное количество возможных комбинаций и изучать, как каждый цинковый палец взаимодействует со своим соседом. Дело в том, что такие белки соединяются с ДНК довольно сложным образом, поэтому необходимо проверять все возможные комбинации взаимодействия этих фрагментов друг с другом.

Для решения этой невероятно сложной задачи был использован ИИ

Новая технология ZFDesign, созданная авторами исследования, позволяет обойти эту проблему путем моделирования и конструирования таких взаимодействий с помощью искусственного интеллекта (ИИ). В результате анализа ученным удалось собрать данные, используемые для построения модели, из более чем 50 миллиардов потенциальных вариантов взаимодействия цинковых пальцев с ДНК.

ZFN vs TALENs vs CRISPR-Cas9 | Редактирование генома. Это краткое описание того, как эти 3 метода редактирования генома работают и чем отличаются друг от друга. Journal Eurekalert, journal Nature Biotechnology.

"Наша программа способна определить правильную комбинацию цинковых пальцев для любой модификации, что делает такой тип редактирования генов более оперативным, чем когда-либо прежде", - рассказывает руководитель проекта Дэвид Ичикава, доктор философии, аспирант NYU Langone Health.

Ичикава утверждает, что программирование генома с помощью цинковых пальцев может стать более безопасной альтернативой CRISPR - ключевой технологии генной инженерии, используемой для поиска новых способов уничтожения раковых клеток и выращивания сельскохозяйственных культур с повышенным содержанием питательных веществ. Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat, или CRISPR, использует белки бактерий для взаимодействия с генетическим кодом, в то время как цинковые пальцы вырабатываются исключительно в организмах людей.

Такие "чужеродные" белки могут вызвать активацию иммунной системы пациентов, в результате чего она может атаковать их как любую другую инфекцию и стать причиной опасного воспаления.

Авторы считают, что цинковые пальцы могут быть более эффективными инструментами генной терапии, чем CRISPR, поскольку они более компактны и не подвергают иммунную систему дополнительному риску. Кроме того, цинковые пальцы гораздо проще доставить к нужным клеткам пациента.

Читайте также: Астрономы опубликовали гигантскую карту Млечного Пути с 3,32 миллиардами небесных объектов.

"Благодаря высокой скорости конструирования цинковых пальцев в дополнение к их малым размерам, наша технология позволяет использовать эти молекулы для управления несколькими генами [одновременно]", - рассказывает старший автор исследования Маркус Нойес, доктор философии, доцент кафедры биохимии и молекулярной фармакологии в NYU Langone.

"В будущем подобное решение может помочь в коррекции заболеваний с множественными наследственными факторами, включая проблемы с сердцем, ожирение и некоторые случаи аутизма", - добавил ученый.

Перед тем как изменить последовательность кодирования гена в клетках человека, учёные создали специальный "контрольный" цинковый палец.  Это было сделано для проверки кода компьютерного искусственного интеллекта. Кроме того, они изготовили несколько цинковых пальцев, способных изменить способ присоединения транскрипционных факторов к целевой последовательности гена и способ экспрессии последнего. Таким образом было доказано, что новая технология может быть использована для коррекции эпигенетических нарушений.

Ученые могут оказаться от технологии CRISPR благодаря новой, более эффективной и безопасной методике редактирования генов с помощью цинковых пальцев, разработанных искусственным интеллектом. На рисунке представлен комплекс из трех "цинковых пальцев" Egr1 (синий) и ДНК (красный). Ионы цинка показаны зеленым цветом. Journal Intereting Engineering. Wikipedia, Nature Biotechnology.

Конечно, все это безумно интересно, но, по словам Нойеса, с цинковыми пальцами довольно сложно работать. Некоторые комбинации таких фрагментов белка не всегда уникальны для одного гена. Вследствие чего они могут изменять последовательности ДНК, не являющихся мишенью. А такое развитие событий может привести к непреднамеренным изменениям в генетическом коде.

В ближайшее время, ученые планируют усовершенствовать алгоритм искусственного интеллекта и научить его более эффективно составлять комбинации цинковых пальцев, способных активировать только требуемые трансформации.

Вы можете самостоятельно ознакомиться с результатами этого исследования в журнале Nature Biotechnology.