Один из проверенных способов проследить генетическое происхождение заболевания — выбить отдельные гены у животных и изучить их влияние на организм. Проблема в том, что патология многих заболеваний определяется множеством генов, что усложняет попытки ученых определить влияние отдельных генов на болезнь. Для этого им пришлось провести множество экспериментов на животных — по одному на каждую желаемую генетическую модификацию.
Исследователи под руководством Рэндалла Платта, профессора биоинженерии кафедры биосистемных наук и инженерии ETH Zurich в Базеле, теперь разработали метод, который значительно упрощает и ускоряет исследования на экспериментальных животных: используя генетические ножницы CRISPR-Cas, они могут изменять десятки генов одновременно в клетках животного, подобно мозаике.
Хотя в каждой клетке изменяется не более одного гена, разные клетки органа могут изменяться по-разному. Это позволяет проводить точный анализ отдельных клеток. Это позволяет исследователям изучать эффекты множества различных генетических изменений в одном эксперименте.
Согласно отчету, недавно опубликованному в журнале Nature, исследователи из ETH Zurich впервые успешно применили этот метод к живым животным, в частности к взрослым мышам. Другие ученые ранее разработали аналогичные методы на культивируемых клетках или эмбрионах животных.
Чтобы «сообщить» клеткам мыши, какие гены должны уничтожить генетические ножницы CRISPR-Cas, исследователи использовали аденоассоциированный вирус (AAV) — стратегию доставки, которая может поражать любой орган. Они подготовили вирусы так, чтобы каждый вирион нес информацию о разрушении определенного гена, а затем заразили мышей смесью вирусов, несущих инструкции по уничтожению разных генов. Таким образом, они могут отключать различные гены в клетках органа. В этом исследовании они выбрали мозг.
Используя этот метод, исследователи из ETH Zurich вместе с коллегами из Женевского университета получили новые сведения о редком генетическом заболевании человека — синдроме делеции 22q11.2. У людей с этим расстройством проявляется множество различных симптомов, и им часто диагностируют другие заболевания, такие как шизофрения и расстройства аутистического спектра. Ранее было известно, что заболевание вызывается хромосомным участком, содержащим 106 генов. Также известно, что это заболевание связано с множеством генов, но неизвестно, какие гены играют роль в заболевании.
В своем исследовании мышей ученые сосредоточились на 29 генах в этой хромосомной области, которые также активны в мозге мышей. В клетках мозга каждой мыши они модифицировали один из 29 генов, а затем проанализировали профили РНК клеток мозга. Ученым удалось показать, что три из этих генов в значительной степени ответственны за дисфункцию клеток мозга. Кроме того, они обнаружили в клетках мышей закономерности, аналогичные тем, которые наблюдаются при шизофрении и расстройствах аутистического спектра. Из трех генов один уже был известен, но два других ранее не были в центре научного внимания.
«Если мы знаем, какие гены аномально активны при заболевании, мы можем попытаться разработать лекарства, которые компенсируют эту аномалию», — сказал Антонио Сантинья, докторант исследовательской группы Пратта и первый автор исследования.
Этот метод подходит и для изучения других генетических заболеваний. «Во многих врожденных заболеваниях участвуют несколько генов, а не один», — сказал Сантинья. «То же самое верно и для психических расстройств, таких как шизофрения. Наша технология теперь позволяет нам изучать такие заболевания и их генетические причины непосредственно у взрослых животных. Число генов, модифицируемых в ходе эксперимента, может быть увеличено с нынешних 29 до сотен».
Теперь исследователи могут проводить подобные анализы на живых организмах, что является большим преимуществом, поскольку клетки в культуре ведут себя иначе, чем в живом организме. Еще одним преимуществом является то, что ученым нужно всего лишь ввести AAV в кровоток животного. AAV имеет множество различных функциональных характеристик. В этом исследовании исследователи использовали вирус, который может проникать в мозг животных. В зависимости от того, что изучается, также могут использоваться AAV, нацеленные на другие органы.
ETH Zurich запатентовала эту технологию, и теперь исследователи надеются использовать ее в рамках своих «пептидных» исследований.