Ученые научились быстро и качественно создавать искусственные хромосомы человека

Искусственные хромосомы человека (ИХЧ), способные работать в клетках человека, могут стать основой для передовой генной терапии, в том числе для лечения некоторых видов рака, а также для различного лабораторного применения.

Команда во главе с исследователями из Медицинской школы Перельмана при Университете Пенсильвании совершила прорыв в этой области, который обходит общий камень преткновения. Исследователи говорят, что новый метод позволит проводить более эффективные лабораторные исследования и расширить возможности генной терапии.

В исследовании, опубликованном в журнале Science, ученые объяснили, как они разработали эффективную технику создания ИХЧ из одиночных длинных ДНК. Предыдущие методы были ограничены тем, что конструкции ДНК, используемые для их создания, имеют тенденцию соединяться вместе — «мультимеризироваться» — в непредсказуемо длинные серии и с непредсказуемыми перегруппировками.

Первые ИХЧ 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. Новый метод позволяет создавать ИХЧ быстрее и точнее, что, в свою очередь, напрямую увеличит скорость проведения исследований ДНК. Со временем, при наличии эффективной системы доставки, этот метод может привести к более совершенной клеточной терапии таких заболеваний, как рак.

«По сути, мы полностью пересмотрели старый подход к проектированию и доставке ИХЧ, — сказал Бен Блэк, доктор философии, профессор биохимии и биофизики Фонда Элдриджа Ривза Джонсона в Пенсильванском университете. — Они могут быть использованы в биотехнологии, например, там, где требуется крупномасштабная генная инженерия клеток. Кроме того, они существуют вместе с естественными хромосомами, то есть нет необходимости изменять естественные хромосомы в клетке».

В своем исследовании ученые из Университета Пенсильвании разработали улучшенные хромосомы. Они включали в себя более крупные исходные конструкции ДНК, содержащие более сложные центромеры, которые позволяют ИХЧ формироваться из единичных копий этих конструкций. Для доставки в клетки исследователи использовали систему на основе дрожжевых клеток.

«Вместо того чтобы пытаться ингибировать мультимеризацию, мы просто обошли проблему, увеличив размер конструкции ДНК так, чтобы она естественным образом оставалась в предсказуемой форме», — сказал Блэк. Исследователи показали, что их метод был гораздо более эффективным в формировании жизнеспособных хромосом по сравнению со стандартными методами и позволил получить ИХЧ, которые могли воспроизводить себя во время деления клеток.

Потенциальные преимущества искусственных хромосом — при условии, что они могут быть легко доставлены в клетки и работать как естественные хромосомы, — многочисленны. С их помощью можно создать более безопасные, более продуктивные и более долговечные платформы для экспрессии терапевтических генов, в отличие от вирусных систем доставки генов, которые могут вызывать иммунные реакции.

Нормальная экспрессия генов в клетках также требует наличия множества локальных и отдаленных регуляторных факторов, которые практически невозможно воспроизвести искусственно. Более того, искусственные хромосомы, в отличие от относительно тесных вирусных векторов, позволяют экспрессировать целые группы генов.

Блэк ожидает, что тот же самый подход, который его группа использовала в этом исследовании, будет полезен при создании искусственных хромосом для других высших организмов, включая сельскохозяйственные культуры, устойчивые к вредителям, или высокоурожайные культуры.

Ранее ученые обнаружили 145 генов, которые жизненно важны для здоровья генома. Открытие произошло в ходе систематического скрининга почти 1 тыс. генетически модифицированных линий мышей. Исследование опубликовано в журнале Nature и дает представление о прогрессировании рака и нейродегенеративных заболеваниях, а также о потенциальных терапевтических возможностях в виде белковых ингибиторов.