Использование генных ножниц для специфического устранения отдельных типов клеток

С помощью молекулярных ножниц CRISPR/Cas генетическая информация в растении может быть изменена, чтобы сделать растение более устойчивым к вредителям, болезням или экстремальным климатическим условиям. Исследователи из Технологического института Карлсруэ (KIT) усовершенствовали этот метод, чтобы удалить полную ДНК определенных типов клеток и, таким образом, предотвратить их образование во время развития растений. Это также поможет ученым лучше понять механизмы развития растений.

К настоящему времени метод CRISPR/Cas, совместно разработанный для растений профессором Хольгером Пухтой, молекулярным биологом из Ботанического института KIT, уже использовался для специфической вставки, обмена или объединения генов. Цель состоит в том, чтобы повысить устойчивость растений к болезням и воздействиям окружающей среды. CRISPR (расшифровывается как «Короткие палиндромные повторы с регулярными интервалами»)/Cas — это молекулярные ножницы, которые могут специфически распознавать и разрезать последовательности ДНК. «Мы изучаем молекулярные ножницы для растений уже 30 лет. Вначале мы применяли их для модификации отдельных генов. Два года назад мы первыми в мире реструктурировали полные хромосомы», — говорит Пучта. Для своего исследования, пионер редактирования генома дважды получил расширенный грант Европейского исследовательского совета (ERC). «Мы смогли оптимизировать этот метод. Благодаря CRISPR-Kill мы достигли совершенно нового уровня развития: мы можем уничтожать определенные типы растительных клеток и предотвращать образование определенных органов растений».

Эксперименты, проведенные учеными, были сосредоточены на вторичных корнях и лепестках модельного растения кресс-салат (Arabidopsis thaliana). «Это классические примеры в биологии. Здесь мы знаем генетическую программу и типы клеток, которые важны для формирования этих органов растений», — поясняет молекулярный биолог. После удаления этих клеток растения CRISPR-Kill больше не образовывали ни лепестков, ни вторичных корней, в то время как контрольные растения демонстрировали нормальный рост.

В отличие от других методов, уничтожающих клетки с помощью цитотоксинов или лазерного излучения, CRISPR-Kill вызывает множественные разрезы в геноме. Геном состоит из определенного числа хромосом, на которых отдельные гены расположены в фиксированном порядке. «До сих пор CRISPR/Cas нацеливался только на одно место и делал один или два разреза, чтобы модифицировать ген или хромосому», — говорит Пучта. «Теперь мы перепрограммировали наши молекулярные ножницы. Они больше не обращаются к геномной ДНК только один раз, а нацелены на соответствующий тип клеток для последовательности, которая часто встречается в геноме и необходима для выживания клетки. Таким образом, в одно и то же время индуцируется множество порезов — слишком много, чтобы клетка могла их восстановить. Клетка погибнет».

Работу исследователей КИТ можно отнести к категории фундаментальных исследований. «Изучая, что происходит, когда удаляется определенный тип клеток, мы узнаем больше о процессах развития растений. Как реагирует растение? Насколько гибко растение в процессе развития? Можем ли мы удалить части растений, которые не нужны в сельском хозяйстве, например?», — добавляет Пухта. В долгосрочной перспективе эта технология может принести пользу производству продуктов питания и фармацевтике, если, например, растению будет запрещено образовывать клетки, вырабатывающие токсины. Более того, технология может быть применена в многоклеточных организмах для специфической модификации тканей.

Источник: https://www.nature.com/articles/s41467-022-29130-w