Штучні хромосоми людини можуть переправляти в клітини ще тонни вантажу ДНК

Штучні хромосоми людини можуть переправляти в клітини ще тонни вантажу ДНК

Мітка часу: 26 березня 2024 4:48
Штучні хромосоми людини можуть переправляти в клітини ще тонни вантажу ДНК PlatoBlockchain Data Intelligence. Вертикальний пошук. Ai.

Генетичний план людини оманливо простий. Наші гени щільно згорнуті в 46 X-подібних структур, які називаються хромосомами. Створені еволюцією, вони несуть ДНК і реплікуються, коли клітини діляться, забезпечуючи стабільність нашого геному протягом поколінь.

У 1997 році дослідження зірвало підручник еволюції. Вперше, команда створила штучну хромосому людини за допомогою генної інженерії. При доставці в клітину людини в чашці Петрі штучна хромосома поводилася так само, як її природні аналоги. Він реплікувався під час поділу клітин, що призвело до клітин людини з 47 хромосомами.

Будьте впевнені, метою не було штучно розвинути наш вид. Навпаки, штучні хромосоми можна використовувати для перенесення великих шматків людського генетичного матеріалу або інструментів редагування генів у клітини. Порівняно з існуючими системами доставки — носіями вірусів або наночастинками — штучні хромосоми можуть включати набагато більше синтетичної ДНК.

Теоретично вони можуть бути розроблені для передачі терапевтичних генів людям із генетичними розладами або додавання захисних генів проти раку.

Проте, незважаючи на понад два десятиліття досліджень, ця технологія ще не увійшла в мейнстрім. Одна з проблем полягає в тому, що короткі сегменти ДНК, які з’єднуються, щоб утворити хромосоми, злипаються разом усередині клітин, що ускладнює передбачити, як поводитимуться гени.

У цьому місяці Нове дослідження з Університету Пенсільванії змінив 25-річний рецепт і створив нове покоління штучних хромосом. Порівняно зі своїми попередниками, нові хромосоми легше конструювати та використовувати довші сегменти ДНК, які не злипаються в клітинах. Вони також є великим носієм, який теоретично міг би транспортувати генетичний матеріал розміром приблизно з найбільшу дріжджову хромосому в клітини людини.

«По суті, ми зробили повний перегляд старого підходу до дизайну та доставки HAC [штучної хромосоми людини]», — автор дослідження д-р Бен Блек. сказав у прес-релізі.

«Ця робота, ймовірно, пожвавить зусилля зі створення штучних хромосом як у тварин, так і в рослин», пише Доктор Р. Келлі Доу з університету Джорджії, який не брав участі в дослідженні.

Форма Твого

З 1997 року штучні геноми стали загальноприйнятою біотехнологією. Їх використовували для переписування ДНК бактерій, дріжджів і рослин, у результаті чого клітини можуть синтезувати життєво необхідні ліки або їсти пластик. Вони також можуть допомогти вченим краще зрозуміти функції таємничих послідовностей ДНК, усіяних у нашому геномі.

Технологія також принесла перші синтетичні організми. Наприкінці 2023 року вчені виявлені дріжджові клітини з половиною їхніх генів, заміненими штучною ДНК, команда сподівається зрештою налаштувати кожну окрему хромосому. На початку цього року інше дослідження перероблені частини хромосоми рослини, ще більше розсуваючи межі синтетичних організмів.

І, змінюючи структуру хромосом — наприклад, відрізаючи ймовірно марні ділянки — ми можемо краще зрозуміти, як вони нормально функціонують, що потенційно може призвести до лікування хвороб.

Метою побудови штучних хромосом людини є не конструювання синтетичних клітин людини. Швидше, робота спрямована на розвиток генної терапії. Сучасні методи перенесення терапевтичних генів або інструментів редагування генів у клітини покладаються на віруси або наночастинки. Але ці перевізники мають обмежену вантажопідйомність.

Якщо сучасні транспортні засоби доставки схожі на вітрильники, то штучні людські хромосоми схожі на вантажні кораблі, здатні перевозити набагато більший і ширший діапазон генів.

Проблема? Їх важко побудувати. На відміну від хромосом бактерій або дріжджів, які мають круглу форму, наші хромосоми схожі на «X». У центрі кожного знаходиться білковий вузол, який називається центромерою, який дозволяє хромосомі відокремлюватися та реплікуватися під час поділу клітини.

У певному сенсі центромера схожа на ґудзик, який зберігає неушкодженими шматочки тканини — плечі хромосоми. Попередні зусилля зі створення штучних хромосом людини були зосереджені на цих структурах, витягуючи літери ДНК, які могли б експресувати білки в клітинах людини, щоб закріпити хромосоми. Однак ці послідовності ДНК швидко схоплювалися, як двосторонній скотч, закінчуючись кульками, що ускладнювало доступ клітин до доданих генів.

Однією з причин могло бути те, що синтетичні послідовності ДНК були занадто короткими, що робило компоненти міні-хромосом ненадійними. Нове дослідження перевірило цю ідею, сконструювавши набагато більшу хромосому людини, ніж раніше.

Вісім - щасливе число

Замість X-подібної хромосоми команда створила свою штучну хромосому людини як коло, яке сумісно з реплікацією в дріжджах. Коло містило 760,000 1 пар літер ДНК — приблизно 200/XNUMX розміру всієї хромосоми людини.

Усередині кола були генетичні інструкції для створення міцнішої центромери — «кнопки», яка зберігає структуру хромосоми недоторканою та може спонукати її реплікацію. Після експресії всередині дріжджової клітини кнопка залучила молекулярний механізм дріжджів для побудови здорової штучної хромосоми людини.

У початковій кільцевій формі в клітинах дріжджів синтетична хромосома людини може бути безпосередньо передана в клітини людини через процес, який називається злиттям клітин. Вчені видалили «обгортку» навколо дріжджових клітин за допомогою хімічної обробки, дозволивши компонентам клітин, включаючи штучну хромосому, злитися безпосередньо з клітинами людини в чашках Петрі.

Подібно до доброзичливих інопланетян, додані синтетичні хромосоми щасливо інтегрувалися в клітини-господарі людини. Замість того, щоб злипатися в шкідливі уламки, кола подвоїлися у форму вісімки, а центромера утримувала кола разом. Штучні хромосоми щасливо співіснували з нативними Х-подібними, не змінюючи своїх нормальних функцій.

Для генної терапії дуже важливо, щоб будь-які додані гени залишалися в організмі, навіть коли клітини діляться. Ця перевага особливо важлива для клітин, що швидко діляться, як рак, які можуть швидко адаптуватися до терапії. Якщо синтетична хромосома наповнена відомими генами, що пригнічують рак, вона може контролювати рак та інші захворювання протягом багатьох поколінь клітин.

Штучні людські хромосоми пройшли перевірку. Вони рекрутували білки з людських клітин-господарів, щоб допомогти їм поширюватися під час поділу клітин, таким чином зберігаючи штучні гени протягом поколінь.

Відродження

З часу появи перших штучних хромосом людини багато що змінилося.

Інструменти редагування генів, такі як CRISPR, полегшили переписування нашого генетичного плану. Механізми доставки, спрямовані на певні органи чи тканини, зростають. Але синтетичні хромосоми можуть повернути собі частину уваги.

На відміну від вірусних носіїв, які найчастіше використовуються для генної терапії або редакторів генів, штучні хромосоми не можуть тунелювати в наш геном і порушувати нормальну експресію генів, що робить їх потенційно набагато безпечнішими.

Однак технологія має вразливі місця. Сконструйовані хромосоми все ще часто втрачаються під час ділення клітин. Синтетичні гени, розміщені поблизу центромери — «кнопки» хромосоми — також можуть порушити здатність штучної хромосоми до реплікації та відокремлення, коли клітини діляться.

Але для Доу це дослідження має більші наслідки, ніж людські клітини. Принципи реконструкції центромер, показані в цьому дослідженні, можуть бути використані для дріжджів і потенційно «застосовні в усіх царствах» живих організмів.

Цей метод може допомогти вченим краще моделювати захворювання людини або виробляти ліки та вакцини. У більш широкому сенсі, «незабаром можливо стане можливим включити штучні хромосоми як частину розширюваного набору інструментів для вирішення глобальних проблем, пов’язаних із охороною здоров’я, тваринництвом і виробництвом їжі та клітковини», — написав він.

Зображення Фото: Уоррен Умох / Unsplash

Часова мітка:

Більше від Хаб сингулярності