Durch die Kombination der CRISPR-Technologie mit einem Protein, das mit künstlicher Intelligenz entwickelt wurde, ist es möglich, einzelne ruhende Gene zu wecken, indem die chemischen „Ausschalter“ deaktiviert werden, die sie zum Schweigen bringen. Forscher der University of Washington School of Medicine in Seattle beschreiben diesen Befund in der Zeitschrift Zellberichte.
Der Ansatz wird es Forschern ermöglichen, die Rolle zu verstehen, die einzelne Gene beim normalen Zellwachstum und der normalen Zellentwicklung, beim Altern und bei Krankheiten wie Krebs spielen, sagte Shiri Levy, Postdoktorandin am UW-Institut für Stammzellen- und Regenerative Medizin (ISCRM) und der Hauptautor der Abhandlung.
„Das Schöne an diesem Ansatz ist, dass wir bestimmte Gene sicher hochregulieren können, um die Zellaktivität zu beeinflussen, ohne das Genom dauerhaft zu verändern und unbeabsichtigte Fehler zu verursachen“, sagte Levy.
Das Projekt wurde von Hannele Ruohola-Baker, Professorin für Biochemie und stellvertretende Direktorin des ISCRM, geleitet. Das von KI entworfene Protein wurde am UW Medicine Institute for Protein Design (IPD) unter der Leitung von David Baker, ebenfalls Professor für Biochemie und Leiter des IPD, entwickelt.
Die neue Technik kontrolliert die Genaktivität, ohne die DNA-Sequenz des Genoms zu verändern, indem sie auf chemische Modifikationen abzielt, die dabei helfen, Gene in unseren Chromosomen zu verpacken und ihre Aktivität zu regulieren. Da diese Modifikationen nicht in, sondern auf Genen stattfinden, werden sie epigenetisch genannt, vom griechischen epi „über“ oder „über“ den Genen. Die chemischen Modifikationen, die die Genaktivität regulieren, werden als epigenetische Marker bezeichnet.
Wissenschaftler interessieren sich besonders für epigenetische Modifikationen, da sie nicht nur die Genaktivität in der normalen Zellfunktion beeinflussen, sondern epigenetische Marker mit der Zeit akkumulieren, zum Altern beitragen und die Gesundheit zukünftiger Generationen beeinträchtigen können, da wir sie an unsere Kinder weitergeben können.
In ihrer Arbeit konzentrierten sich Levy und ihre Kollegen auf einen Komplex von Proteinen namens PRC2, der Gene stummschaltet, indem er ein kleines Molekül, eine so genannte Methylgruppe, an ein Protein bindet, das Gene namens Histone verpackt. Diese Methylgruppen müssen aufgefrischt werden, wenn also PRC2 die Gene blockiert, die es zum Schweigen gebracht hat. es kann wiedererweckt werden.
PRC2 ist während der gesamten Entwicklung aktiv, spielt jedoch eine besonders wichtige Rolle in den ersten Lebenstagen, wenn embryonale Zellen sich in die verschiedenen Zelltypen differenzieren, die die Gewebe und Organe des heranwachsenden Embryos bilden. PRC2 kann mit Chemikalien blockiert werden, aber sie sind unpräzise und beeinträchtigen die PRC2-Funktion im gesamten Genom. Das Ziel der UW-Forscher war es, einen Weg zu finden, PRC2 zu blockieren, sodass jeweils nur ein Gen betroffen wäre.
Dazu verwenden David Baker und seine Kollegen KI, um ein Protein zu schaffen, das an PRC2 bindet und ein Protein blockiert, das PRC2 verwendet, um die Histone zu modifizieren. Ruohola-Baker und Levy fusionierten dann dieses entworfene Protein mit einer deaktivierten Version eines Proteins namens Cas9.
Cas9 ist das Protein, das im Gen-Editing-Prozess namens CRISPR verwendet wird. Cas9 bindet und verwendet RNA als Adress-Tag. Das System ermöglicht es Wissenschaftlern, durch die Synthese einer spezifischen „Adress-Tag“-RNA Cas9 an eine präzise Stelle im Genom zu bringen und somit Gene an bestimmten Stellen zu schneiden und zu spleißen. In diesem Experiment ist jedoch die Schneidefunktion des Cas9-Proteins deaktiviert, sodass die genomische DNA-Sequenz unverändert bleibt. Daher heißt es dCas9, für „tot“. Die Cas9-Funktion als „Fahrzeug“ zur Lieferung von Fracht an einen bestimmten Ort bleibt jedoch aktiv. Das von AI entworfene Blockierungsprotein war die Fracht des dCas9-RNA-Konstrukts. „dCas9 ist wie UBER“, sagt Levy, „es bringt Sie überall auf dem Genom hin, wo Sie hinwollen. Die Leit-RNA ist wie ein Passagier, der UBER sagt, wohin es gehen soll.“
In der neuen Arbeit zeigen Levy und ihre Kollegen, dass sie mit dieser Technik PRC2 blockieren und vier verschiedene Gene selektiv aktivieren konnten. Sie konnten auch zeigen, dass sie induzierte pluripotente Stammzellen zu Plazenta-Vorläuferzellen transdifferenzieren konnten, indem sie einfach zwei Gene einschalteten.
„Diese Technik ermöglicht es uns zu vermeiden, Zellen mit verschiedenen Wachstumsfaktoren und Genaktivatoren und -repressoren zu bombardieren, um sie zur Differenzierung zu bringen“, sagte Levy. „Stattdessen können wir auf bestimmte Stellen in der Region der Gentranskriptionspromotoren abzielen, diese Markierungen aufheben und die Zelle den Rest auf organische, ganzheitliche Weise erledigen lassen.“
Schließlich konnten die Forscher zeigen, wie sich mit der Technik die Lage spezifischer PRC2-kontrollierter regulatorischer Regionen finden lässt, von denen aus einzelne Gene aktiviert werden. Die Lage vieler von ihnen ist unbekannt. In diesem Fall identifizierten sie eine Promotorregion – TATA-Box genannt – für ein Gen namens TBX18. Obwohl derzeit angenommen wird, dass diese Promotorregionen innerhalb von 30 DNA-Basenpaaren in der Nähe des Gens liegen, fanden sie für dieses Gen heraus, dass die Promotorregion mehr als 500 Basenpaare entfernt war.
„Das war eine sehr wichtige Erkenntnis“, sagte Ruohola-Baker. „TATA-Boxen sind über das gesamte Genom verstreut, und die derzeitige Meinung in der Biologie ist, dass die wichtigen TATA-Boxen sehr nahe an der Gentranskriptionsstelle liegen und die anderen keine Rolle zu spielen scheinen. Die Stärke dieses Tools besteht darin, dass es das Kritische finden kann PRC2-abhängige Elemente, in diesem Fall TATA-Boxen, die eine Rolle spielen.“
Epigenetische Modifikationen schmücken weite Bereiche des Genoms in normalen und abnormalen Zellen. Die minimale funktionelle Einheit für die epigenetische Modifikation ist jedoch nach wie vor kaum verstanden, stellt Ruohola-Baker fest: „Mit diesen beiden Fortschritten, den von der KI entworfenen Proteinen und der CRISPR-Technologie, können wir jetzt die genauen epigenetischen Markierungen finden, die für die Genexpression wichtig sind, lernen die Regeln und nutzen sie, um die Zellfunktion zu kontrollieren, die Zelldifferenzierung voranzutreiben und Therapien für das 21. Jahrhundert zu entwickeln.“
Hannele Ruohola-Baker, dCas9-Fusion zu computerentwickeltem PRC2-Inhibitor enthüllt funktionelle TATA-Box in distaler Promotorregion, Zellberichte (2022). DOI: 10.1016/j.celrep.2022.110457. www.cell.com/cell-reports/full … 2211-1247(22)00184-X