Ilustracja CRISPR. Źródło:Narodowe Instytuty Zdrowia
Zmultipleksowany system aktywacji genów umożliwia od czterech do sześciu razy większą zdolność aktywacji obecnej technologii CRISPR, przy jednoczesnej aktywacji do siedmiu genów jednocześnie.
W nowych badaniach opublikowanych w Nature Plants Yiping Qi, profesor nadzwyczajny nauk o roślinach na Uniwersytecie Maryland (UMD), wprowadza nowy i ulepszony system CRISPR 3.0 w roślinach, koncentrując się na aktywacji genów zamiast tradycyjnej edycji genów. Ten system CRISPR trzeciej generacji koncentruje się na zwielokrotnionej aktywacji genów, co oznacza, że może wzmocnić funkcję wielu genów jednocześnie.
Według naukowców system ten może pochwalić się od czterech do sześciu razy większą zdolnością aktywacji niż obecna najnowocześniejsza technologia CRISPR, wykazując wysoką dokładność i wydajność nawet w siedmiu genach jednocześnie. Chociaż CRISPR jest częściej znany ze swoich możliwości edycji genów, które mogą usuwać niepożądane geny, aktywacja genów w celu uzyskania funkcjonalności jest niezbędna do tworzenia lepszych roślin i upraw na przyszłość.
„Podczas gdy moje laboratorium wyprodukowało już systemy do jednoczesnej edycji genów [edycja zwielokrotniona], edycja polega głównie na generowaniu utraty funkcji w celu poprawy plonu” – wyjaśnia Qi. „Ale jeśli się nad tym zastanowić, ta strategia jest skończona, ponieważ nie ma nieskończonych genów, które można wyłączyć i nadal zyskać coś wartościowego. Logicznie rzecz biorąc, jest to bardzo ograniczony sposób na zaprojektowanie i wyhodowanie lepszych cech, podczas gdy roślina mogła już wyewoluować, aby mieć różne ścieżki, mechanizmy obronne i cechy, które wymagają jedynie wzmocnienia. Poprzez aktywację możesz naprawdę podnieść ścieżki lub zwiększyć istniejącą zdolność, a nawet osiągnąć nową funkcję. Zamiast zamykać wszystko, możesz skorzystać z funkcjonalności już znajdującej się w genomie i ulepszyć to, co wiesz, że jest przydatne”.
W swoim nowym artykule Qi i jego zespół zwalidowali system CRISPR 3.0 w ryżu, pomidorach i Arabidopsis (najpopularniejszy gatunek rośliny modelowej, powszechnie znany jako rzeżucha). Zespół wykazał, że można jednocześnie aktywować wiele rodzajów genów, w tym szybsze kwitnienie, aby przyspieszyć proces rozmnażania. Ale to tylko jedna z wielu zalet aktywacji multipleksowej, mówi Qi.
„O wiele bardziej usprawniony proces aktywacji multipleksowej może zapewnić znaczące przełomy. Na przykład nie możemy się doczekać wykorzystania tej technologii do skuteczniejszego i wydajniejszego badania genomu pod kątem genów, które mogą pomóc w walce ze zmianami klimatycznymi i globalnym głodem. Możemy zaprojektować, dostosować i śledzić aktywację genów za pomocą tego nowego systemu na większą skalę, aby przeszukiwać ważne geny, co bardzo ułatwi odkrycia i translację naukową w roślinach”.
Ponieważ CRISPR jest zwykle uważany za „molekularne nożyczki”, które mogą ciąć DNA, ten system aktywacji wykorzystuje dezaktywowany CRISPR-Cas9, który może tylko wiązać. Bez możliwości cięcia system może skupić się na rekrutacji białek aktywacyjnych dla określonych genów będących przedmiotem zainteresowania poprzez wiązanie się z pewnymi segmentami DNA. Qi przetestował również swój wariant SpRY CRISPR-Cas9, który znacznie poszerza zakres tego, co może być celem aktywacji, a także dezaktywowaną formę jego najnowszego systemu CRISPR-Cas12b, aby pokazać wszechstronność między systemami CRISPR. To pokazuje ogromny potencjał ekspansji dla aktywacji multipleksowej, która może zmienić sposób działania inżynierii genomu.
„Ludzie zawsze mówią o tym, jaki potencjał mają jednostki, jeśli można pielęgnować i promować ich naturalne talenty”, mówi Qi. „Ta technologia jest dla mnie ekscytująca, ponieważ promujemy to samo w roślinach – jak możesz promować ich potencjał, aby pomóc roślinom robić więcej z ich naturalnymi zdolnościami? To właśnie może zrobić złożona aktywacja genów i daje nam tak wiele nowych możliwości hodowli i ulepszania upraw”.
Odniesienie:„CRISPR-Act3.0 dla wysoce wydajnej multipleksowanej aktywacji genów w roślinach” autorstwa Changtian Pan, Xincheng Wu, Kasey Markel, Aimee A. Malzahn, Neil Kundagrami, Simon Sretenovic, Yingxiao Zhang, Yanhao Cheng, Patrick M. Shih i Yiping Qi, 24 czerwca 2021 r., Rośliny przyrodnicze .
DOI:10.1038/s41477-021-00953-7
Ta praca jest finansowana przez Narodowa Fundacja Nauki , nagroda #1758745 i #2029889.
