Технология на основе генных ножниц CRISPR означает Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные кластерами) составляет основу технологии редактирования генома CRISPR-Cas9.
В области генной инженерии термин «CRISPR» или «CRISPR-Cas9» часто используется в широком смысле для обозначения различных систем CRISPR-Cas9 и -CPF1 (и других), которые можно запрограммировать на нацеливание на определенные участки генетического кода и редактирование ДНК в определенных местах.
С помощью этих систем исследователи могут постоянно изменять гены в живых клетках и организмах. Когда целевая ДНК найдена, Cas9 - один из ферментов, вырабатываемых системой CRISPR — связывается с ДНК и разрезает ее, отключая целевой ген. Используя модифицированные версии Cas9, исследователи могут активировать экспрессию гена вместо разрезания ДНК. Эти методы позволяют исследователям, например, создавать новые сорта сельхозкультур с желаемыми признаками.
Исследователи из Тель-Авивского университета разработали свой метод генетического редактирования, адаптированный к сельскохозяйственным культурам, который повлиял на различные признаки томатов, включая вкус и форму плодов. Исследователи полагают, что эта инновационная технология может быть применена к широкому спектру видов сельскохозяйственных культур и в конечном итоге может быть использована для создания новых и улучшенных сортов растений.
«Мы продемонстрировали, что с помощью нашей технологии можно выбирать определенные признаки и влиять на них, что имеет решающее значение для развития сельского хозяйства и достижения продовольственной безопасности», - заявили исследователи.
Исследование проводилось под руководством профессора Эйлона Шани, профессора Итая Майроуза и аспиранта Амикая Бермана (Школа растениеводства и продовольственной безопасности Тель-Авивского университета) совместно с аспирантом Нин Су и доктором Юцинь Чжан (Университет Китайской академии наук в Пекине), а также доктором Оснат Янаи из израильской агротехнической компании NetaGenomiX. Статья была опубликована в журнале Nature Communications.
Профессор Шани объясняет: «Исследователи по всему миру занимаются развитием сельского хозяйства, чтобы справиться с ускоряющимися глобальными изменениями и прокормить население планеты в ближайшие десятилетия. Помимо прочего, технологии генетического редактирования совершенствуются для создания новых сортов растений с желаемыми характеристиками, такими как устойчивость к засухе, жаре и болезням, улучшенный вкус, оптимизированное использование питательных веществ и многое другое. Одним из таких методов является CRISPR-Cas9, который произвел революцию в области генетического редактирования, позволив точно модифицировать определенные гены в геноме.
Однако в сфере развития сельского хозяйства этот метод столкнулся с несколькими фундаментальными проблемами: во-первых, хотя технология CRISPR позволяет осуществлять целенаправленное редактирование генов, до сих пор масштабы этой возможности были ограничены — количество генов, которые можно было редактировать и изучать, было очень малым. В текущем исследовании мы значительно повысили эффективность метода, что позволило нам изучить роль тысяч генов. Во-вторых, многие растения демонстрируют «генетическую избыточность»: разные гены из одного семейства, состоящие из схожих аминокислотных последовательностей, компенсируют друг друга и сохраняют признак, даже если один ген деактивирован или отредактирован».
Берман уточняет: «Чтобы преодолеть генетическую избыточность, мы стремились одновременно изменять целые семейства схожих генов. В предыдущем исследовании мы разработали прорывное решение для преодоления проблемы генетической избыточности - специальный алгоритм - и предоставили ему список из тысяч генов, которые мы хотели отредактировать.
Алгоритм определил подходящую единицу CRISPR для каждого гена (или группы генов) в списке, которая могла бы вызвать желаемую модификацию, тем самым создав библиотеки CRISPR. Первое исследование дало хорошие результаты на модельном растении Arabidopsis thaliana, и на этот раз мы попытались впервые протестировать метод на сельскохозяйственном растении. Мы выбрали томат».
В текущем исследовании ученые создали 10 библиотек, содержащих около 15 000 уникальных единиц CRISPR, нацеленных на геном томата, - каждая единица была разработана для воздействия на определенную группу генов из того же семейства. Затем они использовали единицы CRISPR для индуцирования правок примерно в 1300 растениях томата, каждое растение с изменением в другой группе генов.
Затем исследователи отслеживали развитие каждого растения, чтобы проверить, проявились ли выбранные изменения в размере плода, форме, вкусе, использовании питательных веществ или устойчивости к патогенам. Действительно, ученые выявили несколько линий с уровнями сладости либо ниже, либо выше, чем у контрольных растений.
Профессор Шани заключает: «В этом исследовании, используя наш инновационный метод, мы успешно внесли целевые генетические изменения в семейства генов в томатном растении и точно определили, какие генетические правки дали желаемый результат».
Израильская агротехническая компания NetaGenomiX получила лицензию на коммерциализацию новой технологии с целью повышения продовольственной безопасности путем разработки не-ГМО культур, адаптированных к изменяющемуся климату, что принесет пользу как фермерам, так и потребителям.
«Мы считаем, что наши исследования открывают двери для выведения улучшенных сортов для широкого спектра сельскохозяйственных культур, а также способствуют развитию науки о растениях в целом. В последующих исследованиях мы работаем над разработкой дополнительных отобранных признаков у томатов и риса», добавил Берман.
Источник: Tel-Aviv University.
Пояснение к заглавной графике. Геном растения томата делится на семейства генов. Для каждой группы схожих генов разработан уникальный блок CRISPR для изменения их функции (всего было разработано более 15 000 блоков CRISPR). Эти блоки CRISPR доставляются в растения томата, которые затем отслеживаются на предмет роста и развития. На заключительном этапе растения, демонстрирующие изменения в выбранных признаках, идентифицируются и генетически и физиологически характеризуются. Этот новый подход позволяет осуществлять масштабное таргетирование генетической избыточности в пределах семейств генов в масштабе сотен генов. Источник: Тель-Авивский университет.
