Naukowcy odkryli tysiące enzymów pozwalających na manipulację genami

Enzymy przecinające DNA występują u różnych gatunków. W niedawnych badaniach naukowcy z Massachusetts Institute of Technology odkryli tysiące enzymów działających podobnie jak stosowany obecnie CRISPR. Znaleźli je u ślimaków, alg i ameb. Odkrycie dowodzi, że enzymy te, znane jako enzymy Fanzor, są szeroko rozpowszechnione u eukariontów i mają duży potencjał do zastosowania w medycynie i biotechnologii.

Obecnie głównym narzędziem do edytowania DNA jest maszyneria CRISPR-Cas9, nazywana genetycznymi nożyczkami. Za odkrycie i opracowanie tej metody w 2020 roku przyznano Nagrodę Nobla. Korzystając z tej technologii naukowcy mogą zmieniać DNA zwierząt, roślin i mikroorganizmów z dużą precyzją. Mechanizm ten, odkryty podczas badań bakterii, pozwala znajdować w DNA precyzyjnie wybrane miejsce i je przecinać. W miejsce przecięcia można wklejać geny sztucznie dostarczone do komórki.

Nowo odkryte enzymy Fanzor mogą pomóc w opracowaniu nowych terapii genowych czy leków. Rezultaty i opis odkrycia ukazał się na łamach pisma "Science Advances" (DOI: 10.1126/sciadv.adk0171).

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Enzymy Fanzor znaleziono w komórkach organizmów eukariotycznych, czyli bardziej złożonych, niż komórki bakterii, w których odkryto CRISPR. Enzymy, które naturalnie wyewoluowały w organizmach eukariotycznych, mogą lepiej nadawać się do edycji genów w komórkach innych organizmów eukariotycznych, w tym ludzi.

Nowo odkryte enzymy można zaprogramować do cięcia DNA w określonych miejscach, podobnie jak enzymy bakteryjne, które napędzają szeroko stosowany system edycji genów CRISPR. W różnych wcześniejszych badaniach znaleziono setki enzymów Fanzor w organizmach eukariotycznych, ale w nowej publikacji naukowcy opisali 3600 takich enzymów. Można je będzie zaadaptować w nowych narzędziach badawczych lub medycznych.

Odkrycie enzymów Fanzor otwiera nowe możliwości manipulacji genami. - Ludzie od dawna poszukiwali interesujących narzędzi w układach prokariotycznych i myślę, że było to niezwykle owocne. Ale systemy eukariotyczne to tak naprawdę zupełnie nowy rodzaj placu zabaw – powiedział Jonathan Gootenberg.

Enzymy Fanzor można zaprojektować tak, aby precyzyjnie wycinały określone sekwencje DNA w komórkach ludzkich. Uczeni wykazali, że niektóre z odkrytych enzymów potrafią celować w sekwencje DNA w komórkach ludzkich nawet bez ich uprzedniej optymalizacji. - Fakt, że działają one dość skutecznie w komórkach ssaków był naprawdę fantastyczny – przyznał Gootenberg.

Spośród ponad 3600 enzymów Fanzor odkrytych u eukariontów i wirusów, które je infekują, badaczom udało się zidentyfikować pięć różnych rodzin. Porównując dokładny skład tych enzymów, znaleźli dowody na ich długą historię ewolucji.

Fanzory prawdopodobnie wyewoluowały z enzymów bakteryjnych tnących DNA pod kontrolą RNA zwanych TnpB. W rzeczywistości to podobieństwa genetyczne enzymów Fanzor do enzymów bakteryjnych przykuły uwagę badaczy. Ewolucyjne powiązania sugerują, że bakteryjni poprzednicy enzymów Fanzor prawdopodobnie więcej niż raz przedostawali się do komórek eukariotycznych, co napędzało ich ewolucję. Niektóre zostały prawdopodobnie przeniesione przez wirusy, inne mogły zostać wprowadzone przez bakterie symbiotyczne. Badania sugerują również, że po znalezieniu się w komórce eukariotycznej, enzymy wyewoluowały cechy dostosowane do nowego środowiska, takie jak sygnał umożliwiający im wejście do jądra komórkowego, gdzie mają dostęp do DNA.

Zespół naukowców ustalił też, że nowo odkryte enzymy wyewoluowały inny sposób cięcia DNA, który różni się od tego stosowanego przez ich bakteryjnych poprzedników. Wydaje się, że pozwala to enzymowi na dokładniejsze cięcie sekwencji docelowej. Przodkowie tych enzymów po ukierunkowaniu na sekwencję DNA w probówce, ulegają aktywacji i przecinają też inne sekwencje w probówce. Enzymy Fanzor tną znacznie bardziej dokładnie.

Źródło: Massachusetts Institute of Technology