Сконструированы бактерии, распознающие опухолевую ДНК

Acinetobacter baylyi — хорошо изученная и абсолютно безопасная для человека бактерия, которая обладает высокой компетентностью, то есть способностью поглощать ДНК извне. Авторы работы, опубликованной в Science, использовали эту ее особенность для создания биосенсора, детектирующую опухолевую ДНК. Обитающая в кишечнике бактерия-биосенсор сможет своевременно выявить колоректальный рак.

Принцип действия системы заключается в следующем. Захватывая ДНК разрушенных клеток, в которой есть определенная мутация, ассоциированная с раком, бактериальная клетка приобретает устойчивость к антибиотику. При этом ДНК дикого типа, без мутации, такого эффекта не вызывает.

Ученые выбрали KRAS в качестве онкогена и ген резистентности к канамицину kanR в качестве селективного маркера. Геном бактерии-биосенсора содержал участки, гомологичные KRAS, что делало возможной рекомбинацию с последовательностями KRAS во внеклеточной ДНК. Чтобы проверить эффективность биосенсора, создали специальные клеточные линии колоректальной карциномы, экспрессирующие кассету из KRAS с различными онкогенными мутациями и гена устойчивости к канамицину.

Бактерии-сенсоры отличали онкогенные варианты KRAS от KRAS дикого типа с помощью собственной системы CRISPR-Cas. Ген дикого типа в бактериальной клетке разрушается, но онкогенные мутации устраняют сайт PAM, распознаваемый CRISPR-системой. Это и делает возможной рекомбинацию: бактерии вставляют в свой геном онкогенные варианты, например, KRASG12D, и приобретают устойчивость. В итоге  если бактерии контактировали с мутантными последовательностями KRAS, то при посеве на среду с канамицином появляются устойчивые колонии. Свою разработку авторы назвали CATCH (CRISPR-discriminated horizontal gene transfer).

Эффективность бактериального биосенсора проверили на культуре органоидов колоректального рака, выделяющих внеклеточную ДНК с мутацией KRASG12D или без нее. Сенсорные бактерии включали в свой геном только мутантные фрагменты. Аналогичный результат был получен и на ортотопической мышиной модели колоректальной карциномы, причем мышей с карциномой и без удалось различить со 100%-ной точностью.

Во всех перечисленных случаях в клетки-мишени предварительно вводили последовательность, на которую должен реагировать биосенсор, — донорская кассета содержала не только последовательности онкогенов, но и ген устойчивости к антибиотикам, который бактерия приобретала, если рекомбинация проходила успешно. В реальных условиях опухоли, конечно, не несут гены резистентности к канамицину. Однако в следующей серии экспериментов ученые показали, что созданный ими биосенсор распознает последовательность-мишень и в естественной опухолевой ДНК, не подвергавшейся генноинженерным манипуляциям.

В этом варианте геном бактерии-сенсора содержал ген tetR, окруженный последовательностями гена KRAS. Продукт tetR репрессировал ген устойчивости к канамицину, но если происходила рекомбинация с мутантным геном, репрессор удалялся из генома и ген устойчивости экспрессировался. Авторы подчеркивают, что устойчивость к канамицину можно заменить на любой другой признак, удобный для детекции, а KRAS — на любой интересующий онкоген.

Таким образом, клетка-биосенсор может обнаруживать опухолевую ДНК прямо в кишечнике, без какой-либо пробоподготовки. В желудочно-кишечном тракте активны ферменты ДНКазы, поэтому время жизни свободной ДНК невелико, и в образцах фекалий «на выходе» часть информации неминуемо потеряется. Бактерии-биосенсоры, работающие in situ, позволяют обойти это ограничение. У авторов есть смелые идеи по поводу терапевтических механизмов на основе CATCH, но для этого необходимы дальнейшие исследования.