Inženjering genoma može biti budućnost medicine, ali se oslanja na evolucioni napredak postignut pre milijardi godina u primordijalnim bakterijama, prvobitnim majstorima uređivanja gena.
Savremeni inženjeri genoma kao što je Sem Sternberg sa Kolumbije uvek se raduju, modifikujući ove drevne sisteme i gurajući ih da izvode sve složenije podvige uređivanja gena.
Ali da biste otkrili nove alate, ponekad se isplati pogledati unazad u vremenu da biste razumeli kako su bakterije prvo stvorile originalne sisteme i zašto.
U novoj studiji, objavljenoj u časopisu Nature, Sternberg i njegov postdoktor, dr Chance Meers, su se vratili u prošlost da pogledaju prethodnike CRISPR-Cas9—koji vrebaju unutar takozvanih „gena za skakanje“—da otkrijte kako su CRISPR-ove DNK makaze evoluirale.
Njihova otkrića otkrivaju kako rade hiljade novootkrivenih DNK makaza i kako bi mogle da se ugrade u nove tehnologije genomskog inženjeringa.
Unutar bakterija, CRISPR-Cas9 igra ključnu ulogu u zaštiti ćelija od virusnih infekcija. Koristeći pomoć RNK vodiča, ove molekularne makaze prvo prepoznaju DNK virusa koji invaziju, a zatim režu virusni genom.
Pre nekoliko godina, naučnici su pratili poreklo CRISPR-Cas9 do transpozona, mobilnih genetskih elemenata, takođe poznatih kao „geni za skakanje“, koji skaču sa jedne lokacije u genomu na drugu kroz zagonetni proces poznat kao transpozicija.
„Mnoge biološke teme koje proučavamo u našoj laboratoriji su se pojavile kada je jedan oblik života ukrao gene drugom – na primer, bakterija koja je ukrala gene mobilnog genetskog elementa, poput virusa, plazmida ili transpozona – i onda su ti geni prenamenjeni za obavljanje sličnih biohemijskih reakcija, ali za potpuno drugačiju funkciju“, kaže Sternberg.
Transpozonska veza je ubrzo dovela istraživače do riznice potencijalnih novih alata za uređivanje: hiljade drevnih transposona koji su još aktivni u bakterijskim genomima, od kojih svaki nosi RNA vođenu DNK nukleazu koju bi genomski inženjeri – ljudska vrsta – potencijalno mogli programirati da iseći DNK.
Inženjeri genoma sada rade na eksploataciji ovih sistema, ali Sternbergu i Meersu jedno važno pitanje je i dalje ostalo bez odgovora.
„Ovi transpozoni skaču u i iz genoma uz pomoć sopstvenih enizama, zvanih transpozaze“, kaže Mers. „Njima ne trebaju DNK makaze, a ne trebaju ni RNK za vođenje.
„Pa zašto oni nose gene za DNK makaze vođene RNK?“
Bio je to težak problem za razbiti.
Prva prepreka koju je Meers rešio je pronalaženje prave bakterije sa mnogo kopija aktivnih transpozona, koje bi služile kao model sistema. Uobičajena laboratorijska bakterija, E. coli, nije bila najbolja polazna tačka, pa je Meers odabrao Geobacillus stearothermophilus, bakteriju koja voli toplotu sa desetinama aktivnih gena za skakanje.
Mers je takođe proučavao problem iz perspektive transpozona, razvijajući moćne testove koji su uhvatili gene koji skaču u procesu kretanja po bakterijskom genomu, skačući u i iz plazmida, i sa jednog soja bakterije na drugi. „Bez tog pristupa, na kraju samo proučavate DNK makaze u izolaciji, sprečavajući holistički pogled koji spaja celu priču“, kaže Sternberg.
Sa ovim testovima u ruci, Meers i Sternberg — uz pomoć tima kolega u laboratoriji — zaronili su duboko u način na koji se transpozoni kreću i pokazali da bez makaza za rezanje DNK, geni za skakanje mogu skočiti na nove lokacije, ali su skloni veoma brzo izumiranje. (Bakterije neprestano pokušavaju da inaktiviraju mobilne genetske elemente, uključujući transpozone.)
Molekularne makaze slične CRISPR-u sprečile su izumiranje tako što su kopiju transpozona vratile na lokaciju sa koje je skočio, nakon što su presekli DNK da bi kopiju skliznuli na mesto.
„Sa ovom strategijom ‘iseci i kopiraj’, transpozon se može razmnožavati brzinom bržom od stope trajnog gubitka“, kaže Mers. U stvari, najmoćniji urednici genoma u prirodi prvobitno su evoluirali da se uređuju u genom, sebično promovišući sopstveno širenje.
Pošto je CRISPR-Cas evoluirao iz transpozona pronađenog u stotinama hiljada kopija širom bakterijskog carstva, verovatno je da je priroda stvorila druge sisteme od ovih moćnih transpozon gena koji čekaju da budu otkriveni.
„Teško je poverovati da je evolucija prestala da izmišlja molekularne makaze sa genetikom CRISPR-Cas-a“, kaže Sternberg. „Mora da postoje drugi sistemi na delu, i ako ih pronađemo, možda ćemo moći da pozajmimo i te gene i da ih koristimo u drugu svrhu: inženjering genoma ljudskih ćelija.“
