GRAPE: новая платформа для направленной эволюции генов в клетках растений

Графическое представление GRAPE и его применений. Автор: Гао Цайся

Направленная эволюция — это лабораторная техника, имитирующая естественный отбор и позволяющая ученым эволюционировать гены и кодируемые ими белки. Традиционно эта методика использовалась в микробах, клетках млекопитающих или в пробирках.

Теперь исследователи под руководством профессора Гао Цайся из Института генетики и биологии развития Китайской академии наук и профессора Цю Цзиньлуна из Института микробиологии КАН разработали новую систему, позволяющую проводить быструю и масштабируемую направленную эволюцию различных генов непосредственно в клетках растений.

Эта новая платформа, названная Geminivirus Replicon-Assisted in Planta Directed Evolution (GRAPE), описана в журнале Science.

Современное сельскохозяйственное производство требует обильных генетических ресурсов. Направленная эволюция может быстро генерировать генетические варианты с новыми и улучшенными свойствами. Однако эффективных платформ для проведения такой эволюции непосредственно в клетках растений до сих пор не хватало.

Ключевой проблемой является медленная скорость деления клеток у растений, что ограничивает скорость циклов отбора и обогащения функциональных вариантов.

Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали геминивирусы — растительные ДНК-вирусы, которые быстро реплицируют ДНК в клетках растений посредством репликации по типу катящегося кольца (RCR), быстрого способа копирования кольцевой ДНК.

В частности, они связали репликацию искусственных геминивирусных репликонов (кольцевой ДНК, способной реплицироваться через RCR) с целевыми функциями генетических вариантов в клетках растений. Варианты, обладающие целевой функцией, побуждали репликон к репликации, создавая больше копий ДНК, тем самым избирательно усиливая эти варианты.

Основываясь на этом подходе, исследователи разработали GRAPE. В этой платформе гены интереса (GOI) сначала мутагенизировали in vitro, и полученные варианты вставляли в искусственные геминивирусные репликоны. Затем эти библиотеки репликонов доставляли в листья Nicotiana benthamiana, где желаемая генная активность была связана с вирусной репликацией.

Варианты, способствующие репликации, обогащались, а те, которые ингибировали репликацию, истощались. Полный цикл отбора можно было завершить на одном листе в течение четырех дней.

Используя GRAPE, исследователи эволюционировали NLR-иммунный рецептор NRC3, чтобы избежать ингибирования эффектором нематоды SPRYSEC15, сохраняя при этом свою иммунную активность.

Итеративная эволюция рисового NLR-иммунного рецептора Pikm-1 позволила получить варианты, которые реагируют на шесть аллелей эффектора Magnaporthe oryzae AVR-Pik, значительно расширяя его диапазон распознавания. Эта стратегия позволяет разрабатывать ценные генетические ресурсы для селекции устойчивых к болезням культур.

По сравнению с предыдущими системами на основе микробов, GRAPE предлагает явные преимущества: она превосходно эволюционирует GOI, ответственные за специфические для растений фенотипы (такие как устойчивость к болезням) или требующие специфической для растений регуляции.

Кроме того, она работает непосредственно в клетках растений, устраняя необходимость повторной оптимизации. GRAPE потенциально может эволюционировать любой ген, функционально связанный с RCR. Помимо биологии растений, GRAPE также обещает более широкие применения, такие как эволюция протеаз для расщепления специфических мишеней для исследований растений и фармацевтики.

GRAPE обеспечивает быструю, эффективную и универсальную платформу, которая может ускорить синтетическую биологию растений и молекулярную селекцию, открывая новые пути для инженерии сельскохозяйственных культур и повышения устойчивости сельского хозяйства.

Больше информации: Engineered geminivirus replicons enable rapid in planta directed evolution, Science (2025). DOI: 10.1126/science.ady2167

Источник: Chinese Academy of Sciences