Nowe narzędzie programowe umożliwia projektowanie bezpieczniejszej edycji genomu

Zespół naukowców opracował narzędzie programowe o nazwie DANGER (Dangerous and Antagonistic Evidence Evaluated by RNA Sequencing), które umożliwia projektowanie bezpieczniejszej edycji genomu wszystkich organizmów przy użyciu transkryptomu. Od niemal dekady badacze wykorzystują technologię CRISPR do edycji genomów. Jednakże korzystanie z CRISPR wiąże się z pewnymi wyzwaniami. Analiza DANGER pozwala pokonać te wyzwania i umożliwia naukowcom przeprowadzanie bezpieczniejszych ocen zarówno na poziomie celu, jak i poza nim, bez konieczności posiadania genomu referencyjnego. Posiada potencjał do zastosowań w medycynie, rolnictwie i badaniach biologicznych.

Ich prace publikowane są w czasopiśmie Postępy w bioinformatyce 23 sierpnia 2023 r.

Edycja genomu lub edycja genów odnosi się do technik umożliwiających badaczom zmianę genomowego DNA organizmu. Korzystając z tych technik, badacze mogą dodawać, usuwać lub zmieniać materiał genetyczny w genomie.

CRISPR-Cas9 to dobrze znana technologia edycji genów. Ma reputację dokładniejszej, szybszej i tańszej niż inne podobne techniki. Jednak edycja genów przy użyciu CRISPR stwarza pewne wyzwania. Pierwszym wyzwaniem jest to, że fenotypowe, czyli obserwowalne skutki spowodowane nieoczekiwaną dynamiką CRISPR nie są monitorowane ilościowo.

Drugie wyzwanie polega na tym, że CRISPR zasadniczo opiera się na podstawowych danych genomicznych, w tym na genomie referencyjnym. Genom referencyjny przypomina szablon, który dostarcza badaczom ogólnych informacji o genomie. W przypadku niedopasowań może wystąpić nieoczekiwana edycja sekwencji. Te nieukierunkowane witryny są zawsze nieoczekiwane. Dlatego badacze potrzebują sposobu na monitorowanie sekwencji genomowych w świecie rzeczywistym i ograniczanie potencjalnych skutków ubocznych.

Projektowanie edycji genomu wymaga dobrze scharakteryzowanej sekwencji genomowej. Jednak informacje genomiczne dotyczące pacjentów, nowotworów i niescharakteryzowanych organizmów są często niekompletne”.

Kazuki Nakamai, adiunkt w laboratorium badawczym PtBio w Centrum Innowacji w Edycji Genomu, Uniwersytet w Hiroszimie

Zespół badawczy postanowił opracować sposób poradzenia sobie z kwestiami efektów fenotypowych i polegania na genomie referencyjnym. Oprogramowanie do analizy DANGER opracowane przez zespół pozwala pokonać te wyzwania. Zespół wykorzystał genetycznie zmodyfikowane próbki ludzkich komórek i mózgów danio pręgowanego do przeprowadzenia oceny, aby uniknąć pułapek w danych dotyczących sekwencji RNA zarówno na poziomie docelowym, jak i poza nim.

Zespół wykazał, że potok analizy DANGER pozwala osiągnąć kilka celów. Odkrył potencjalne lokalizacje DNA w obszarze docelowym i poza nim w regionie transkrybowanym przez mRNA w genomie, korzystając z danych sekwencjonowania RNA. ocenili skutki fenotypowe szkodliwych loci innych niż docelowe w oparciu o dowody dostarczone przez zmiany ekspresji genów. Zmierzył ryzyko fenotypowe na poziomie terminu genetycznego, bez genomu referencyjnego. Sukces ten pokazał, że analizę DANGER można przeprowadzić na różnorodnych organizmach, osobistych genomach ludzkich i genomach nietypowych stworzonych przez choroby i wirusy.

Analiza DANGER identyfikuje lokalizacje genomowe w miejscu docelowym i poza nim Ponownie Składanie transkryptomu przy użyciu danych o sekwencji RNA. Transkrypcja obejmuje zebranie wszystkich odczytów aktywnych genów w komórce. z Ponownie Składanie transkryptu Składanie transkryptu odbywa się bez pomocy genomu referencyjnego. Następnie analiza DANGER identyfikuje szkodliwe cele, które są daleko od celu. Są to obszary poza celami w regionach transkrypcji mRNA, które odpowiadają za obniżenie ekspresji w edytowanych próbkach w porównaniu z próbkami typu dzikiego. Wreszcie oprogramowanie identyfikuje ryzyko fenotypowe, wykorzystując genetykę szkodliwych celów. „Nasza analiza DANGER to nowe oprogramowanie, które umożliwia pomiar efektów fenotypowych wynikających z szacunków odbiegających od docelowych. Ponadto nasze narzędzie wykorzystuje Ponownie Zestaw transkryptomów można zsekwencjonować na podstawie danych sekwencjonowania RNA próbek poddanych działaniu substancji bez genomu referencyjnego, powiedział Hidemasa Bono, profesor w Centrum Innowacji Edycji Genomu na Uniwersytecie w Hiroszimie.

Patrząc w przyszłość, zespół ma nadzieję rozszerzyć swoje badania za pomocą analizy NIEBEZPIECZEŃSTWA. „Zastosujemy program do różnych próbek edycji genomu pobranych od pacjentów i roślin uprawnych, aby wyjaśnić efekt fenotypowy i opracować bezpieczniejsze strategie edycji genomu” – powiedział Nakamai.

Analiza NIEBEZPIECZEŃSTWA ma charakter open source i można ją dowolnie modyfikować. Ten algorytm potokowy można zatem ponownie wykorzystać do analizy różnych systemów edycji genomu poza systemem CRISPR-Cas9. Możliwe jest również zwiększenie specyficzności analizy DANGER CRISPR-Cas9 poprzez włączenie specyficznych dla CRISPR-Cas9 algorytmów punktacji poza celem. Zespół wierzy, że analiza DANGER poszerzy zakres badań genomicznych i zastosowań przemysłowych z wykorzystaniem edycji genomu.

W skład zespołu badawczego wchodzą Kazuki Nakamai z Uniwersytetu w Hiroszimie i PtBio Inc. I Hidemasa Bono, który pracuje na Uniwersytecie w Hiroszimie.

Badania te zostały sfinansowane przez Centrum Innowacji na rzecz Transformacji Biocyfrowej; Otwarta Platforma Innowacji na rzecz Współtworzenia Przemysłu i Środowiska Naukowego (COI-NEXT) oraz Japońska Agencja Nauki i Technologii COI-NEXT (JPMJPF2010); oraz Japońskie Towarzystwo Promocji Nauki Kakinhi (21K17855).