Искусственные хромосомы человека (HAC), способные работать внутри клеток человека, могут стать основой передовой генной терапии, в том числе для лечения некоторых видов рака, а также многих лабораторных применений, хотя серьезные технические препятствия препятствуют их развитию. Теперь команда, возглавляемая исследователями из Медицинской школы Перельмана Пенсильванского университета, совершила значительный прорыв в этой области, который эффективно обходит общий камень преткновения.
В исследовании, опубликованном в журнале Science, исследователи объяснили, как они разработали эффективную технику создания HAC из одиночных длинных конструкций дизайнерской 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 эффективных клеточных методов лечения таких заболеваний, как рак.
«По сути, мы полностью пересмотрели старый подход к проектированию и доставке HAC», — сказал Бен Блэк из Пенсильванского университета. «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.
Потенциальные преимущества искусственных хромосом (при условии, что их можно легко доставить в клетки и действовать как естественные хромосомы) многочисленны. Они предложат более безопасные, более продуктивные и более надежные платформы для экспрессии терапевтических генов, в отличие от систем доставки генов на основе вирусов, которые могут запускать иммунные реакции и включать вредную вставку 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.
