Дизайн новых, не существующих в природе белков и нуклеопротеиновых конструкций как новых инструментов для медицины и биотехнологии.
Значительная часть работы ориентирована на создание новых инструментов для редактирования генома эукариотических клеток. Прорыв, произошедший в последние несколько лет в инженерии живых систем, связан с совершенствованием трех главных инструментов: цинково-пальцевых нуклеаз, TAL-эффекторных эндонуклеаз (TALEN) и системы CRISPR/Cas (Urnov et al., 2010; Wright et al., 2014; Doudna & Charpentier, 2014). К ним можно добавить технологии точной рекомбинации, известные под общим названием «рекомбиниринг», которые дали возможность легкого редактирования генома бактерий (Leprince et al., 2012). Общим недостатком всех существующих систем остается сравнительно низкая эффективность и возможность индукции нецелевых мутаций. В ближайшие годы можно ожидать взрывообразного развития технологий геномного редактирования. Начинаются и попытки редактирования эпигенома, связанные со введением или снятием эпигенетического метилирования и модификаций гистонов (Voigt & Reinberg, 2013), что позволит гораздо более гибко настраивать фенотип получаемых клеток. Ориентированные исследования в лаборатории опираются на фундаментальные исследования механизмов модификации генома – функционирования и регуляции систем метилирования, активного деметилирования и других видов направленной модификации структуры генома, установление последствий временно присутствующих модификаций ДНК, РНК и мононуклеотидов, возникших в результате спонтанного повреждения, направленной модификации клеточными системами или целенаправленного введения в клетки, на биохимические и регуляторные процессы в клетках. Из эпигенетических механизмов на сегодняшний день лучше всего изучены два способа стабильной активации и инактивации генов. Первый из них связан с изменением состояния конденсации хроматина за счет ковалентной модификации гистонов или других белков, отвечающих за упаковку ДНК, второй - с ковалентной модификацией самой ДНК, что ведет к изменению сродства к ней разнообразных ДНК-связывающих белков (Bird, 2007). У высших эукариот единственными модифицированными основаниями ДНК, для которых надежно показано участие в регуляции экспрессии генов, являются 5-метилцитозин и его окисленное производное, 5-гидроксиметилцитозин (Branco et al., 2011). Появляются, однако, данные о том, что эпигенетические функции в клетках человека могут выполнять и другие модификации ДНК и РНК, в частности, окислительные (Moore et al., 2013; Zarakowska et al., 2014; Mikhed et al., 2015). Более того, в последние годы было открыто, что эпигенетические функции могут выполнять неканонические структуры ДНК (Cea et al., 2015), длинные некодирующие РНК (Kornfeld & Brüning, 2014; Peschansky & Wahlestedt, 2014) модификации в составе кодирующих и некодирующих РНК (Liu & Pan, 2015; Yue et al., 2015) и даже нестандартные РНК и белки, возникающие при ошибках в ходе транскрипции и трансляции (Gordon et al., 2015). Механизмам и роли метилирования цитозина в геноме высших эукариот посвящено большое число работ. О механизмах деметилирования до недавнего времени было известно очень немногое, и только работы последних лет показали, что он основан на направленном повреждении ДНК с дальнейшей ее репарацией (Жарков, Грин, 2012). Механизмы эпигенетического действия остальных модификаций в основном остаются неизученными.
Системы ферментативной модификации ДНК и РНК могут послужить богатым источником инструментов для геномной инженерии, медицины и биотехнологии, а также мишенями для новых поколений лекарственных средств. В качестве недавних примеров трансляции фундаментальных знаний об активной модификации ДНК в практику можно привести ингибиторы ДНК-метилтрансфераз, введенные в практику в середине 2000-х годов для лечения онкологических заболеваний (Stresemann & Lyko, 2008), внедрение в онкодиагностику методов, основанных на анализе паттернов метилирования (Van Neste et al., 2011) и широкое использование систем геномного редактирования, основанное на эндонуклеазах TALEN и CRISPR/Cas (Wright et al., 2014; Doudna & Charpentier, 2014).
Помимо этого, в лаборатории планируется разрабатывать методы, позволяющие конструировать мультифункциональные наноконструкции, которые способны узнавать несколько молекулярных мишеней и/или катализировать несколько последовательных реакций, и создавать ДНК-зависимые ферменты с заданной субстратной специфичностью. В перспективе на основе новых методов будут разрабатываться наноконструкции для селективного элиминирования отдельных клеток, бактериальных и вирусных частиц из крови, а также нуклеазы с заданной субстратной специфичностью для редактирования клеточного генома и для быстрого генотипирования ДНК человека. В настоящее время в мире ведутся активные исследования в области создания наноконструкций на основе молекул ДНК. В то же время задача введения в наноконструкции белковых составляющих остается практически не затронутой; известны лишь отдельные попытки решения этой задачи (Delebecque et al., 2011; Simmel, 2012). Создание эффективных методов сборки ДНК(РНК)-белковых наноконструкций позволило бы значительно расширить возможности нанобиотехнологии, в том числе и для целей создания новых лекарственных препаратов и диагностических средств.