Искусственные хромосомы человека могут переносить в клетки тонны большего количества ДНК

Переиздано Платоном

Читают: 0

Генетическая программа человека обманчиво проста. Наши гены плотно скручены в 46 Х-образных структур, называемых хромосомами. Созданные в результате эволюции, они несут ДНК и размножаются при делении клеток, обеспечивая стабильность нашего генома на протяжении поколений.

В 1997 году исследование разрушило сценарий эволюции. Впервые, команда создала искусственную человеческую хромосому с помощью генной инженерии. При доставке в человеческую клетку в чашке Петри искусственная хромосома вела себя так же, как ее естественные аналоги. Он реплицировался по мере деления клеток, что привело к образованию человеческих клеток с 47 хромосомами.

Будьте уверены, целью не было искусственное развитие нашего вида. Скорее, искусственные хромосомы можно использовать для переноса в клетки больших фрагментов генетического материала человека или инструментов редактирования генов. По сравнению с современными системами доставки — вирусными носителями или наночастицами — искусственные хромосомы могут включать в себя гораздо больше синтетической ДНК.

Теоретически они могут быть разработаны для доставки терапевтических генов людям с генетическими нарушениями или добавления защитных генов против рака.

Однако, несмотря на более чем два десятилетия исследований, эта технология еще не стала мейнстримом. Одна из проблем заключается в том, что короткие сегменты ДНК, образующие хромосомы, слипаются внутри клеток, что затрудняет прогнозирование поведения генов.

Этот месяц, нового исследования из Пенсильванского университета изменили 25-летний рецепт и создали новое поколение искусственных хромосом. По сравнению со своими предшественниками, новые хромосомы легче проектировать и использовать более длинные сегменты ДНК, которые не слипаются внутри клеток. Они также являются крупными переносчиками, которые теоретически могут переносить генетический материал размером примерно с самую большую дрожжевую хромосому в клетки человека.

«По сути, мы полностью пересмотрели старый подход к разработке и доставке HAC [искусственных хромосом человека]», — автор исследования доктор Бен Блэк. — сказал В пресс-релизе.

«Эта работа, вероятно, активизирует усилия по созданию искусственных хромосом как у животных, так и у растений», писал доктор Р. Келли Доу из Университета Джорджии, которая не принимала участия в исследовании.

Форма вас

С 1997 года искусственные геномы стали признанной биотехнологией. Их использовали для перезаписи ДНК бактерий, дрожжей и растений, в результате чего появились клетки, способные синтезировать жизненно важные лекарства или есть пластик. Они также могут помочь ученым лучше понять функции загадочных последовательностей ДНК, разбросанных по всему нашему геному.

Эта технология также привела к появлению первых синтетических организмов. В конце 2023 года ученые обнаружены дрожжевые клетки половина их генов заменена искусственной ДНК — команда надеется в конечном итоге настроить каждую хромосому. Ранее в этом году, другое исследование переработали части хромосомы растения, еще больше раздвинув границы синтетических организмов.

А изменяя структуры хромосом — например, отсекая предположительно бесполезные участки — мы можем лучше понять, как они обычно функционируют, что потенциально может привести к лечению заболеваний.

Целью создания искусственных хромосом человека не является создание синтетических клеток человека. Скорее, эта работа призвана продвинуть генную терапию. Современные методы переноса терапевтических генов или инструментов редактирования генов в клетки основаны на вирусах или наночастицах. Но эти перевозчики имеют ограниченную грузоподъемность.

Если нынешние средства доставки подобны парусным лодкам, то искусственные человеческие хромосомы подобны грузовым кораблям, способным нести гораздо больший и более широкий спектр генов.

Проблема? Их сложно построить. В отличие от хромосом бактерий или дрожжей, которые имеют круглую форму, наши хромосомы похожи на букву «X». В центре каждого из них находится белковый узел, называемый центромерой, который позволяет хромосоме разделяться и размножаться при делении клетки.

В каком-то смысле центромера подобна пуговице, которая удерживает в целости изношенные кусочки ткани — плечи хромосомы. Более ранние попытки создать искусственные хромосомы человека были сосредоточены на этих структурах, извлекая буквы ДНК, которые могли бы экспрессировать белки внутри клеток человека для закрепления хромосом. Однако эти последовательности ДНК быстро сцепились сами с собой, как двусторонняя лента, заканчиваясь шариками, что затрудняло доступ клеток к добавленным генам.

Одной из причин может быть то, что синтетические последовательности ДНК были слишком короткими, что делало компоненты мини-хромосом ненадежными. Новое исследование проверило эту идею, создав гораздо большую сборку хромосом человека, чем раньше.

Восемь – счастливое число

Вместо Х-образной хромосомы команда разработала искусственную человеческую хромосому в виде круга, совместимого с репликацией в дрожжах. В круге было 760,000 1 пар букв ДНК — примерно 200/XNUMX размера всей человеческой хромосомы.

Внутри круга находились генетические инструкции по созданию более прочной центромеры — «кнопки», которая сохраняет структуру хромосомы нетронутой и может заставить ее реплицироваться. После экспрессии внутри дрожжевой клетки кнопка задействовала молекулярный механизм дрожжей для создания искусственной хромосомы здорового человека.

В своей первоначальной кольцевой форме в дрожжевых клетках синтетическая человеческая хромосома могла затем напрямую передаваться в клетки человека посредством процесса, называемого слиянием клеток. Ученые удалили «обертки» вокруг дрожжевых клеток с помощью химической обработки, позволив компонентам клеток, включая искусственную хромосому, сливаться непосредственно с клетками человека внутри чашек Петри.

Подобно доброжелательным инопланетянам, добавленные синтетические хромосомы успешно интегрировались в клетки человека-хозяина. Вместо того, чтобы слипаться в ядовитые обломки, круги сложились в форме восьмерки, при этом центромера удерживала круги вместе. Искусственные хромосомы счастливо сосуществовали с нативными Х-образными, не меняя своих нормальных функций.

Для генной терапии важно, чтобы любые добавленные гены оставались внутри организма даже во время деления клеток. Этот бонус особенно важен для быстроделящихся клеток, таких как раковые, которые могут быстро адаптироваться к терапии. Если синтетическая хромосома наполнена известными генами, подавляющими рак, она сможет контролировать рак и другие заболевания на протяжении поколений клеток.

Искусственные человеческие хромосомы прошли испытание. Они привлекли белки из клеток-хозяев человека, чтобы помочь им распространяться по мере деления клеток, сохраняя таким образом искусственные гены на протяжении поколений.

Возрождение

Многое изменилось со времени появления первых искусственных хромосом человека.

Инструменты редактирования генов, такие как CRISPR, упростили переписывание нашей генетической программы. Механизмы доставки, нацеленные на определенные органы или ткани, находятся на подъеме. Но синтетические хромосомы, возможно, снова привлекут к себе внимание.

В отличие от вирусных носителей, наиболее часто используемого средства доставки для генной терапии или генных редакторов, искусственные хромосомы не могут туннелировать в наш геном и нарушать нормальную экспрессию генов, что делает их потенциально намного более безопасными.

Однако у технологии есть уязвимости. Сконструированные хромосомы по-прежнему часто теряются при делении клеток. Синтетические гены, расположенные рядом с центромерой — «кнопкой» хромосомы — также могут нарушать способность искусственной хромосомы реплицироваться и разделяться при делении клеток.

Но для Доуэ это исследование имеет большее значение, чем просто человеческие клетки. Принципы реинжиниринга центромер, показанные в этом исследовании, могут быть использованы для дрожжей и потенциально «применимы во всех царствах» живых организмов.

Этот метод может помочь ученым лучше моделировать болезни человека или производить лекарства и вакцины. В более широком смысле: «Возможно, вскоре станет возможным включить искусственные хромосомы в состав расширяющегося набора инструментов для решения глобальных проблем, связанных со здравоохранением, животноводством и производством продуктов питания и клетчатки», — написал он.

Изображение Фото: Уоррен Умо / Unsplash