"מעבד תמלילים" לגנים – מדענים חושפים מנגנון חדש ביסודו לתכנות ביולוגי

מדעני מכון Arc גילו את מנגנון ה-bridge recombinase, כלי מהפכני המאפשר תכנות מלא DNA סידורים מחדש.

הממצא שלהם, מפורט לאחרונה טֶבַע פרסום, הוא הרקומבינאז ה-DNA הראשון שמשתמש ב-non-coding RNA לבחירה ספציפית לרצף של מולקולות DNA של מטרה ותורם. RNA גשר זה ניתן לתכנות, ומאפשר למשתמש לציין כל רצף מטרה גנומי רצוי וכל מולקולת DNA של תורם להחדרה.

המחקר פותח בשיתוף פעולה עם המעבדות של סילבנה קונרמן, חוקרת הליבה של מכון ארק ועוזרת פרופסור לביוכימיה באוניברסיטת סטנפורד, והירושי נישימאסו, פרופסור לביולוגיה מבנית באוניברסיטת טוקיו.

עידן חדש של תכנות גנטי

"מערכת ה-RNA הגשר היא מנגנון חדש ביסודו לתכנות ביולוגי", אמר ד"ר פטריק הסו, מחבר בכיר של המחקר וחוקר ליבה של מכון Arc. אוניברסיטת קליפורניה, ברקלי פרופסור משנה לביו-הנדסה. "ריקומבינציה של גשרים יכולה לשנות באופן אוניברסלי חומר גנטי באמצעות החדרה ספציפית לרצף, כריתה, היפוך ועוד, מה שמאפשר מעבד תמלילים לגנום החי מעבר ל-CRISPR."

מערכת הרקומבינציה של הגשר נובעת מאלמנטים של רצף 110 (IS110) של החדרה, אחד מאינספור סוגים של אלמנטים הניתנים להמרה – או "גנים קופצים" – שחותכים ומדביקים את עצמם כדי לנוע בתוך ובין גנומים מיקרוביאליים. אלמנטים הניתנים להעברה נמצאים בכל צורות החיים והתפתחו למכונות מקצועיות למניפולציה של DNA כדי לשרוד. יסודות ה-IS110 הם מינימליים ביותר, המורכבים רק מגן המקודד לאנזים הרקומבינאז, בתוספת מקטעי DNA אגפים שעד כה נותרו בגדר תעלומה.

מנגנון מתקדם של גשר RNA

מעבדת Hsu מצאה שכאשר IS110 כורת את עצמה מהגנום, קצוות ה-DNA הלא-מקודדים מחוברים זה לזה כדי לייצר מולקולת RNA – RNA הגשר – שמתקפלת לשתי לולאות. לולאה אחת נקשרת לאלמנט IS110 עצמו, בעוד הלולאה השנייה נקשרת ל-DNA היעד שבו האלמנט יוכנס. RNA הגשר הוא הדוגמה הראשונה של מולקולת מנחה דו-ספציפית, המציינת את הרצף של ה-DNA של המטרה וגם של התורם באמצעות אינטראקציות של זיווג בסיסים.

צוות חוקרים ממכון Arc גילה את מנגנון ה-bridge recombinase, כלי מדויק וחזק לשילוב מחדש ולסדר מחדש של DNA באופן שניתן לתכנות. מעבר למספריים גנטיות הניתנות לתכנות כמו CRISPR, מנגנון הרקומבינאז של הגשר מאפשר למדענים לציין לא רק את ה-DNA של המטרה שיש לשנות, אלא גם את החומר התורם שיש לזהות, כך שהם יכולים להכניס חומר גנטי חדש ופונקציונלי, לחתוך DNA פגום, או להפוך כל שני רצפי עניין. גלה עוד בסרטון קצר זה המציג את ההיבטים המרכזיים של מנגנון ריקומבינציית הגשר. קרדיט: מדע חזותי

כל לולאה של ה-RNA של הגשר ניתנת לתכנות באופן עצמאי, ומאפשרת לחוקרים לערבב ולהתאים כל רצף של יעד ותורם של DNA. המשמעות היא שהמערכת יכולה ללכת הרבה מעבר לתפקידה הטבעי שמכניס את אלמנט ה-IS110 עצמו, במקום זאת לאפשר החדרה של כל מטען גנטי רצוי – כמו עותק פונקציונלי של גן פגום וגורם מחלה – לכל מיקום גנומי. בעבודה זו, הצוות הפגין למעלה מ-60% יעילות החדרה של גן רצוי אי – קולי עם יותר מ-94% ספציפיות למיקום הגנומי הנכון.

"רנ"א הגשר הניתנים לתכנות אלו מבדילים בין IS110 מרקומבינאזות ידועות אחרות, שחסרות בהן רכיב RNA ואינן ניתנות לתכנות", אמר המחבר המוביל ניק פרי, סטודנט לתואר שני בהנדסה ביולוגית באוניברסיטת ברקלי. "זה כאילו ה-RNA של הגשר היה מתאם מתח אוניברסלי שהופך את IS110 לתואם לכל שקע."

מחקר שיתופי והשלכות עתידיות

הגילוי של מעבדת Hsu משלים על ידי שיתוף הפעולה שלהם עם המעבדה של ד"ר הירושי נישימאסו באוניברסיטת טוקיו, שפורסם גם הוא ב-26 ביוני ב טֶבַע. מעבדת Nishimasu השתמשה במיקרוסקופ קריו-אלקטרון כדי לקבוע את המבנים המולקולריים של קומפלקס ה-RNA של גשר רקומבינאז הקשור ל-DNA מטרה ותורם, תוך התקדמות ברצף בשלבי המפתח של תהליך הרקומבינציה.

עם חקירה ופיתוח נוספים, מנגנון הגשר מבטיח להכניס דור שלישי של מערכות מונחות RNA, שיתרחב מעבר למנגנוני חיתוך ה-DNA וה-RNA של CRISPR ו-RNAi (RNAi) כדי להציע מנגנון מאוחד לסידורי DNA שניתן לתכנות מחדש. קריטי להמשך הפיתוח של מערכת ריקומבינציית הגשר לתכנון גנום יונקים, הרקומבינאז הגשר מצטרף לשני גדילי ה-DNA מבלי לשחרר שברי DNA חתוכים – עוקף מגבלה מרכזית של טכנולוגיות עריכת גנום עדכניות עדכניות.

"מנגנון ריקומבינציית הגשר פותר כמה מהאתגרים הבסיסיים ביותר העומדים בפני שיטות אחרות של עריכת גנום", אמר מוביל המחקר מתיו דוראנט, מדען בכיר ב-Arc. "היכולת לארגן מחדש כל שתי מולקולות DNA פותחת את הדלת לפריצות דרך בתכנון הגנום."