Учените програмират един от най-издръжливите и устойчиви на радиация организми в света, за да пренапишат определен ген, което ще им позволи да излекуват често срещан вид наследствен висок холестерол.
Този изключително здрав микроб, наречен TnpB и произхождащ от бактерията Deinococcus radiodurans, оцелява освен на радиация, също така и на студ, дехидратация, вакуум и киселинност, което го прави идеален инструмент за генетично редактиране.
Наследственото предразположение към вид висок холестерол или т. нар. фамилна хиперхолестеролемия (FH) засяга приблизително 34 милиона души по света.
Въпреки че екипът е тествал своите „генетични ножици“ само върху моделни животни - мишки, изследователите вярват, че техният подход един ден ще им позволи да лекуват високия холестерол при хората, като по същество пренастроят техния генетичен код.
Препрограмиране на TnpB за лечение на висок холестерол
В публикуваното проучване, в което се описва новият подход за генетично препрограмиране, изследователите отбелязват, че генетичното редактиране е обещаващо за поправка на някои наследствени здравни състояния, като по същество „препрограмира“ специализирани бактерии за генетично редактиране на дефектния ген в генетичния код на човека с правилно функциониращ такъв. Въпреки това процесът, станал известен с инструмента за редактиране на гени CRISPR (clustered, regularly interspaced, short palindromic repeat, което означава „групирани, равномерно разпределени, кратки палиндромни повторения“), е довел до смесени успехи. (по-подробно - в края на статията)
Един от основните ограничаващи фактори на най-често използвания за генетично редактиране организъм CRISPR-Cas е неговият размер. Според авторите на изследването микроорганизмът е твърде голям, за да бъде точно насочен, което „създава трудности при опитите за доставянето му до правилните клетки в тялото“.
Напоследък изследователите в областта на генетичното редактиране започват да се фокусират върху „еволюционните предшественици“ на организма, някои от които са много по-малки от микроба CRISPR-Cas. Сред най-обещаващите е TnpB, чийто по-малък размер и издръжливост предлагат на учените нов път за генетично редактиране.
Тези по-малки родоначалници са по-малко ефективни при препрограмирането и показват ограничена способност за насочване поради ограничените им изисквания за разпознаване при свързване на ДНК в сравнение с по-големите CRISPR-Cas микроби. Сега изследователите, участвали в това проучване, твърдят, че може би най-накрая са преодолели това ограничение, което води до много по-ефективен метод за насочване на TnpB за лечение на висок холестерол.
Новият метод показва до 75% ефективност
Според проучването екипът е намерил начин да оптимизира TnpB за по-ефективно редактиране на клетки от бозайници в сравнение с нетретирания организъм.
„Хитростта се състоеше в това да модифицираме инструмента по два начина: първо, така че да достига по-ефективно до ядрото, където се намира геномната ДНК, и второ, така че да се насочва и към алтернативни геномни последователности“, разказва Ким Маркварт (Kim Marquart), докторант в Института по фармакология и токсикология към Университета в Цюрих (UZH) и първи автор на изследването.
След това екипът тества 10 211 отделни таргетни места, за да установи кои характеристики в ДНК на клетките определят цялостната ефективност на редактиране на микроба. Вместо да тества местата поотделно в лабораторни условия, екипът използва специализиран инструмент за изкуствен интелект, който според тях може да предвиди ефективността на редактиране на организма като различни таргетни сайтове.
„Нашият модел може да предвиди колко добре ще работи TnpB в различни сценарии, което улеснява и ускорява проектирането на успешни експерименти за редактиране на гени“, казва Маркварт. „Използвайки тези прогнози, ние постигнахме до 75,3% ефективност в черния дроб на мишки и 65,9% в мозъка на мишки.“
След успеха на моделите екипът създава свой персонализиран микроб в лабораторията. Тези микроби са тествани върху мишки, програмирани с генетичния вариант, който причинява хиперхолестеролемия. Екипът се надявал, че по-малкият размер ще позволи на този предшественик на CRISPR-Cas да стигне там, където по-големите организми не могат.
„За експериментите с животни успяхме да използваме клинично приложими Adeno-асоциирани вирусни вектори за ефективно пренасяне на инструментите в клетките на мишки“, обяснява Маркварт. „Благодарение на малкия си размер системата за редактиране на гени TnpB може да бъде опакована в една вирусна частица.“
За разлика от тях екипът отбелязва, че по-често използваните компоненти на CRISPR-Cas9 трябва да бъдат пакетирани в множество вирусни частици, „което означава, че е необходимо да се прилагат по-високи дози вектори.“
Разработване на подобни стратегии за редактиране на гени при хората
Както се очакваше, екипът установи, че техният по-ефективен организъм TnpB е идеално подходящ за тази задача, като ефективността му значително превъзхожда първоначалната му форма.
„Чрез инженерство на малкия, но мощен протеин TnpB успяхме да разработим вариант, който показва 4,4 пъти по-висока ефективност на модифициране на ДНК - което го прави по-ефективен като инструмент за редактиране на гени“, обяснява ръководителят на проекта Гералд Шванк (Gerald Schwank) от Института по фармакология и токсикология към Университета в Цюрих (UZH).
След приема на програмирания организъм мишките с дефектния ген показват здравословни нива на холестерола. Всъщност новият подход показва, че по-малките микроби могат да достигнат до ДНК целта и да излекуват високия холестерол.
„Успяхме да редактираме ген, който регулира нивата на холестерола, като по този начин намалихме холестерола при лекуваните мишки с почти 80%“, обяснява Шванк.
Екипът се надява да разшири изследванията си, включително да потърси начини за по-нататъшно подобряване на ефективността на своя персонализиран инструмент за редактиране на гени. Макар и само на етап животински модел, екипът смята, че техният подход може да доведе до генетичен инструмент за лечение на висок холестерол и други наследствени заболявания, които традиционният инструмент CRISPR не може да лекува.
„Целта е да се разработят подобни стратегии за редактиране на гени при хората, за да се лекуват пациенти, страдащи от хиперхолестеролемия“, допълва Шванк.
CRISPR-Cas3
CRISPR елементите са открити още през 1987, но едва 25 години по-късно изследователите започват да откриват множеството им приложения и да оценяват тяхното значение. Именно удостоените с Нобелова награда през 2020 г. Еманюел Шарпентие и Дженидър Даудна са едни от първите, които осъзнават потенциала на тази техника.
Тези структури представляват повтарящи се елементи в молекулата на ДНК, които са част от имунната система на бактериите, помагаща им да се борят срещу атакуващите ги вируси. CRISPR е съкращение от clustered, regularly interspaced, short palindromic repeat, което означава – групирани, равномерно разпределени, кратки палиндромни повторения. Както подсказва името, те се състоят от повторения от нуклеотиди (градивните единици на ДНК), разделени от участъци взети от вируси, наречени „спейсъри“. Тези повторения могат да се четат по един и същи начин от ляво надясно или обратно. Например последователността ACCTAGGT и нейното допълнение в обратен ред TGGATCCA могат да се четат по този начин. Повторения с такова свойство се наричат палиндроми и се срещат и в живота, такива са думите: „сос“, „боб“ или „потоп“.
CRISPR са свързани с гени, участващи в процесите на репарация (поправка) и рекомбинация (обмяна на гени между различни хромозоми) на ДНК. Бактериите могат да включат в себе си къси участъци от вируси в CRISPR елементи, за да станат устойчиви срещу тях.
Cas са гени, които кодират протеини, свързани с CRISPR. Ензимът Cas9 може да бъде програмиран да отрязва желани участъци от ДНК, благодарение на водещи молекули РНК, които да ги насочват.
Генетичните ножици променят науките за живота. Кредит: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Справка: Marquart, K.F., Mathis, N., Mollaysa, A. et al. Effective genome editing with an enhanced ISDra2 TnpB system and deep learning-predicted ωRNAs. Nat Methods (2024). https://doi.org/10.1038/s41592-024-02418-z
Източник: Hardy, radiation-resistant organism could rewrite your genetic code to cure high cholesterol, Christopher Plain, thedebrie.org
