Upptäckt kan bidra till att utveckla gensaxen

En forskargrupp vid Uppsala universitet har tagit reda på hur CRISPR-Cas9 – också känd som ”gensaxen” – kan söka igenom arvsmassan efter en specifik DNA-sekvens. Cas9 har redan många bioteknologiska tillämpningar och förväntas även revolutionera medicinen. De nya forskningsresultaten visar hur Cas9 kan förbättras för att göra gensaxen snabbare och säkrare. Studien publiceras i den vetenskapliga tidskriften Science.

Revolutionerat forskningen
CRISPR-Cas9 har på mindre än ett decennium revolutionerat den biologiska forskningen. Cas9 gör det möjligt att på ett målinriktat sätt korrigera eller förändra i princip vilken DNA-sekvens som helst och förhoppningen är att gensaxen även ska göra det möjligt att bota och förebygga genetiska sjukdomar.

Det fantastiska med Cas9 är att det går att programmera molekylen med en bit konstgjord genetisk kod och sedan låta den leta upp motsvarande sekvens i arvsmassan. En forskargrupp vid Uppsala universitet har nu tagit reda på vilken strategi Cas9 använder när den letar sig fram till rätt sekvens.

– De flesta proteiner som söker efter DNA-kod kan bara känna igen en specifik sekvens genom att känna av utsidan av DNA-spiralen. Cas9 kan söka efter en godtycklig kod, men för att avgöra om den är på rätt ställe måste molekylen öppna DNA-spiralen och jämföra sekvensen med den programmerade koden. Det otroliga är att den ändå kan leta sig igenom hela arvsmassan utan att använda någon energi, säger Johan Elf som är ansvarig för studien.

Två metoder
Forskarna har utvecklat två nya metoder för att mäta hur lång tid det tar för Cas9 att hitta sin målsekvens. Den första metoden visade att det tar hela sex timmar för Cas9 att söka igenom ett bakterie-genom på fyra miljoner baspar. Det smått osannolika resultatet kunde också verifieras med hjälp av den andra, oberoende tekniken. Tiden stämmer även med hur många millisekunder Cas9 har på sig att testa varje position, vilket forskarna kunde mäta genom att följa enstaka inmärkta Cas9-molekyler i realtid.

– Resultaten visar att priset Cas9 betalar för sin flexibilitet är tid. För att hitta målet fortare behövs fler Cas9-molekyler som letar efter samma DNA-sekvens, säger Johan Elf.

Medicinskt användbar
De mycket höga koncentrationer av Cas9 som behövs för att hitta rätt sekvens inom en rimlig tidsperiod kan ställa till allvarliga problem för de celler man försöker alternera, men eftersom forskarna nu förstår hur sökprocessen går till har vi fått en viktig ledtråd till hur systemet kan förbättras. Genom att offra lite av flexibiliteten hos Cas9 skulle det vara möjligt att konstruera en gensax som fortfarande är tillräckligt mångsidig för att editera olika gener men samtidigt tillräckligt snabb för att vara medicinskt användbar.

– Resultaten har gett oss ledtrådar till hur man skulle kunna åstadkomma en sådan lösning. Nyckeln ligger i de så kallade PAM-sekvenserna som bestämmer var och hur ofta Cas9 öppnar DNA-spiralen. En gensax som inte behöver öppna DNA-spiralen lika många gånger för att hitta sitt mål är inte bara snabbare utan skulle också minska risken för bieffekter, säger Johan Elf.

Artikel: Daniel Lawson Jones, Prune Leroy, Cecilia Unoson, David Fange, Vladimir Ćurić, Michael J. Lawson, Johan Elf (2017) Kinetics of dCas9 target search in Escherichia coli, Science

Kontakt: Johan Elf, tel 018-471 4678, e-post: johan.elf@icm.uu.se