Как AlphaFold помогает улучшить безопасность генетического редактирования

Генетическое редактирование, ставшее возможным благодаря системам, таким как CRISPR, открывает новые горизонты в терапии различных заболеваний. Однако, несмотря на свои преимущества, эти технологии сталкиваются с серьезными вызовами, связанными с безопасностью. Основная проблема заключается в том, что даже при высокой специфичности редактирования, вероятность возникновения так называемых "побочных эффектов" (off-target effects) остается. Эти эффекты возникают, когда редактирование затрагивает нецелевые участки ДНК, что может привести к нежелательным последствиям.

Проблема побочных эффектов

Системы генетического редактирования состоят из трех ключевых компонентов: 1. Гидирующая РНК (gRNA) — молекула, которая связывается с целевой последовательностью ДНК. 2. Кас-протеин (например, Cas9) — белок, который взаимодействует с gRNA и ДНК, обеспечивая специфичность редактирования. 3. Модифицирующий белок — отвечает за внесение изменений в ДНК. Хотя длина связывания между gRNA и геном составляет около 18 оснований, что теоретически должно обеспечивать высокую специфичность, Cas9 может допускать небольшое количество несовпадений в связывании. Это создает риск, что редактирование может произойти в нежелательных местах. Поэтому исследователи активно ищут способы минимизации таких побочных эффектов.

AlphaFold в действии

Недавние исследования, опубликованные в журнале Nature, описывают, как команда ученых использовала модифицированное программное обеспечение AlphaFold для выявления ключевых участков генетических редактирующих белков, ответственных за побочные эффекты. Исследователи предположили, что структура идеально совпадающего ДНК-РНК гибрида отличается от структуры с несовпадениями. Эволюция оптимизировала структуру Cas9 для связывания с идеальными последовательностями, но не предотвратила возможность взаимодействия с несовпадающими структурами. Команда создала обширную библиотеку участков с побочными эффектами, используя модифицированную систему CRISPR. Затем они проанализировали, как комплекс CRISPR взаимодействует с этими участками, применяя AlphaFold для моделирования взаимодействий между белками и нуклеиновыми кислотами. Первоначально AlphaFold не справился с задачей, но после упрощения модели, исследователи смогли получить структурные данные, которые совпадали с экспериментальными результатами.

Анализ взаимодействий

Сравнив структуры, полученные для целевых и побочных участков, исследователи обнаружили, что многие из побочных участков приводят к изменению структуры Cas9. В частности, более 95% из них изменяли аминокислоты, контактирующие с РНК. Это открытие дало возможность выделить участки Cas9, которые можно модифицировать для снижения вероятности побочных эффектов. Для этого была разработана система "ContactSeek", позволяющая анализировать вероятность контакта между аминокислотами и нуклеотидами.

Улучшение специфичности

Исследователи сконцентрировались на областях Cas9, где наблюдались изменения в аминокислотах, и начали тестировать варианты Cas9 с различными заменами аминокислот. В результате они создали вариант, который сохранял активность на целевых участках, но снижал активность на побочных участках с 28% до 5%. Подобные результаты были достигнуты и с другими гидирующими РНК. Хотя другие команды также разрабатывали варианты Cas9 с меньшей склонностью к побочным эффектам, новый подход, основанный на AlphaFold, предлагает более специфические решения для конкретных комбинаций гидирующей РНК и несовпадений. Это может привести к созданию более безопасных систем генетического редактирования, что является важным шагом в развитии терапии.

Перспективы применения

Работа, проведенная исследователями, не только открывает новые горизонты в области генетического редактирования, но и может быть полезна для более широкого круга задач, связанных с взаимодействиями белков и ДНК. Если эта методология будет успешно применена, она может стать значительным прорывом в разработке безопасных терапий на основе генетического редактирования.