CRISPR-интерференция – надежный инструмент редактирования генома стволовых клеток

Брюс Конклин (Bruce Conklin) и Мохаммад Мандегар (Mohammad Mandegar) модифицировали геном стволовых клеток, используя усовершенствованный вариант CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). Эта новая технология, названная CRISPR–интерференцией, более точна и эффективна, чем оригинальная система CRISPR-Cas9, и обеспечивает большую гибкость в регулировании степени экспрессии генов и в ее восстановлении. (Фото: Chris Goodfellow)

Объединив два самых мощных биологических инструмента XXI века, ученые из Институтов Гладстона (The Gladstone Institutes) модифицировали геном индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (induced pluripotent stem cells, iPSCs), впервые использовав с этой целью новый вариант системы CRISPR-Cas9. Это усовершенствование – значительный технологический прогресс в создании клеточных моделей генетических заболеваний.

Чтобы активировать гены в индуцированных плюрипотентных стволовых клетках (ИПСК) и в полученных из них клетках сердца, исследователи использовали модифицированную версию CRISPR – CRISPR-интерференцию (CRISPR interference, CRISPRi). Этот метод, впервые опубликованный в 2013 году Стэнли Ки (Stanley Qi), PhD, соавтором статьи о данном исследовании, опубликованной в журнале Cell Stem Cell, – оптимизированный вариант исходной системы CRISPR-Cas9, позволяющий блокировать гены более точно и эффективно. Кроме того, CRISPRi обеспечивает большую гибкость в восстановлении экспрессии генов и тщательный контроль над степенью ее подавления.

Чтобы удалить строго определенную часть генома, разрезая ДНК клетки, в стандартной системе CRISPR используется белок Cas9. Основываясь на этой технологии, CRISPR-интерференция использует специальную инактивированную версию белка Cas9 и еще один белок-ингибитор – KRAB. Вместе эти два белка таргетируют участок генома и подавляют экспрессию генов, не разрезая ДНК. К удивлению ученых, временный сайленсинг генов этим методом оказался гораздо более надежным способом блокирования их экспрессии, чем их необратимое вырезание из генома.

Клетки сердца, полученные из стволовых клеток с использованием CRISPR-интерференции. (Фото: Mo Mandegar)

«Мы были удивлены значительной разнице в эффективности этих двух систем», - говорит руководитель исследования Брюс Конклин (Bruce Conklin), MD. «Мы думали, что разрезание генома – более эффективный способ блокирования гена, но на самом деле CRISPRi настолько точна и так прочно связывается с геномом, что это действительно лучший способ заставить ген замолчать».

В своем исследовании ученые сравнили, насколько хорошо CRISPRi и CRISPR-Cas9 подавляли конкретный ген, ответственный за плюрипотентность ИПСК – их способность трансформироваться в клетки огромного количества типов. CRISPR-интерференция оказалась намного более эффективной: если в клетках, на которых применялась система CRISPR-Cas9, ген-мишень блокировался с эффективностью 60-70%, то в клетках, на которых испытывалась CRISPRi, эта цифра превышала 95%. Кроме того, CRISPRi не вызывала никаких нецелевых изменений в геноме – нежелательных вставок или делеций, – что является проблемой с CRISPR-Cas9.

Более того, CRISPR-интерференцию можно использовать как выключатель, позволяющий отменять подавление гена простым удалением химического вещества, включающего его ингибитор. Помимо этого, изменяя количества добавляемых химических веществ, ученые могут регулировать степень подавления гена. Оба эти результата дают возможность проводить гораздо более многостороннее изучение роли определенных генов, влияющих на развитие и болезни.

Исследователи продемонстрировали расширенные возможности CRISPRi на ИПСК, Т-клетках и клетках сердца, полученных из стволовых клеток. Так, они создали модель заболевания сердца, используя редактирование генома для подавления одного из важных для функции сердца генов.

«При создании типов клеток, связанных с заболеваниями, CRISPRi дает значительные преимущества», - комментирует превосходство нового метода первый автор статьи Мохаммад Мандегар (Mohammad Mandegar), PhD. «Используя эту технологию, мы можем имитировать болезнь в гомогенной популяции сердечных клеток, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Эта разработка облегчает изучение генетических заболеваний и идентификацию новых потенциальных терапевтических мишеней».

По материалам

Modified Form of CRISPR Acts as a Toggle Switch to Control Gene Expression in Stem Cells

Оригинальная статья:

Mohammad A. Mandegar, Nathaniel Huebsch, Ekaterina B. Frolov, Edward Shin, Annie Truong, Michael P. Olvera, Amanda H. Chan, Yuichiro Miyaoka, Kristin Holmes, C. Ian Spencer, Luke M. Judge, David E. Gordon, Tilde V. Eskildsen, Jacqueline E. Villalta, Max A. Horlbeck, Luke A. Gilbert, Nevan J. Krogan, Søren P. Sheikh, Jonathan S. Weissman, Lei S. Qi, Po-Lin So, Bruce R. Conklin. CRISPR Interference Efficiently Induces Specific and Reversible Gene Silencing in Human iPSCs

© «CRISPR-интерференция – надежный инструмент редактирования генома стволовых клеток». Полная или частичная перепечатка материала разрешается при обязательной незакрытой от индексации, незапрещенной для следования робота активной гиперссылке на страницу Стволовые клетки. Письменное разрешение обязательно.