Kaj če bi eno največjih ovir v genski terapiji lahko premagali z uporabo zamisli iz vsakdanjega življenja? Tako kot ježek poveže dva ločena dela v trdno in funkcionalno celoto, raziskovalci zdaj uporabljajo molekularni »ježek«, da zmogljiva orodja za urejanje genoma sestavijo neposredno v celicah. Ta elegantna zamisel bi lahko pomagala odpraviti eno glavnih omejitev, zaradi katerih napredne terapije urejanja genoma še niso dostopne večjemu številu bolnikov.
Pred kratkim je bil v reviji Nature Communications objavljen pregledni članek naših sodelavcev prof. Romana Jerale in doc. dr. Duška Lainščka z naslovom Molekularni ježek za natančno popravljanje genoma. Članek izpostavlja inovativno platformo za urejanje genoma, ki so jo razvili Mu in sodelavci. Raziskava prikazuje, kako lahko načrtovane interakcije med proteini omogočijo dostavo zelo učinkovitih urejevalnikov baz ter odprejo nove možnosti za varnejše in prilagodljivejše terapevtsko urejanje genoma.
Ključni pojmi: razumevanje znanstvenega ozadja preboja
Preden podrobneje predstavimo inovacijo, je koristno razumeti nekaj pomembnih pojmov:
- Urejanje genoma s tehnologijo CRISPR: tehnologija, ki znanstvenikom omogoča ciljanje določenih zaporedij DNK in izvajanje natančnih genetskih sprememb.
- Urejanje baz: napredna oblika urejanja genoma, pri kateri se posamezne črke DNK spremenijo brez prekinitve obeh verig DNK. S tem se zmanjša tveganje za neželene genetske spremembe.
- Vektorji AAV (adenoasociirani virusi): eni najpogosteje uporabljenih prenašalcev v genski terapiji. Njihova glavna omejitev je razmeroma majhna nosilnost.
- Proteini z motivom zvite vijačnice: načrtovani pari proteinov, ki se medsebojno prepoznajo in povežejo z izjemno specifičnostjo, podobno kot molekularni ježek.
- Razdeljeni urejevalniki baz: orodja za urejanje genoma, razdeljena na ločene komponente, ki jih je mogoče dostaviti neodvisno in nato znova sestaviti v celicah.
Ti pojmi predstavljajo temelj novega pristopa, ki so ga opisali Mu in sodelavci ter obravnavali naši sodelavci.
Reševanje velikega izziva pri dostavi orodij za urejanje genoma
Urejanje baz se je uveljavilo kot ena najbolj obetavnih tehnologij za zdravljenje genetskih bolezni. V nasprotju s tradicionalnimi sistemi CRISPR, ki povzročijo dvoverižne prekinitve DNK, urejevalniki baz neposredno pretvorijo eno bazo DNK v drugo. Tako omogočajo zelo natančno popravljanje mutacij, ki povzročajo bolezni. Ta pristop bi lahko koristil pri številnih dednih boleznih, rakavih obolenjih, srčno-žilnih in nalezljivih boleznih.
Vendar ostaja trdovratna težava: velikost.
Številni najučinkovitejši urejevalniki baz so preveliki, da bi jih lahko spravili v vektorje AAV, ki še vedno spadajo med klinično najpomembnejša orodja za dostavo genetskih zdravil v tkiva po vsem telesu. Raziskovalci so za reševanje tega problema razvili več strategij, vendar te pogosto zahtevajo kompromise glede učinkovitosti, prilagodljivosti ali zahtevnosti načrtovanja.
Nova rešitev uporablja načrtovane pare proteinov z motivom zvite vijačnice kot molekularne povezovalce. Namesto dostave celotnega zaporedja DNK, ki kodira velik urejevalnik, raziskovalci zapis za urejevalni sistem razdelijo na manjše module, ki jih je mogoče vstaviti v ločene vektorje AAV – v tem primeru v dva modula. Ko obe komponenti vstopita v celico, se zapis DNK prevede v proteine. Nastala proteina sta modula urejevalnika. Ker vsebujeta ujemajoča se motiva zvite vijačnice, ta omogočita njuno sestavljanje v popoln funkcionalni urejevalnik.
Več kot le rešitev za dostavo
Eno najbolj presenetljivih odkritij, izpostavljenih v preglednem članku, je, da so nekateri razdeljeni urejevalniki dejansko delovali bolje od izvirnih različic polne dolžine. Nekateri citozinski urejevalniki baz z motivom zvite vijačnice so v človeških celicah dosegli do 9,6-krat večjo učinkovitost urejanja, v prašičjih celicah pa do 12,4-krat večjo.
Zakaj bi razdelitev urejevalnika izboljšala njegovo delovanje?
Avtorji članka pojasnjujejo, da lahko programabilni proteinski sestavi ustvarijo ugodnejšo prostorsko razporeditev različnih proteinskih komponent. Strukturno modeliranje kaže, da lahko arhitektura zvitih vijačnic katalitične domene razporedi tako, da poveča njihovo aktivnost. Z drugimi besedami: sestavljanje orodja – razdeljenega urejevalnika – iz ločenih delov oziroma proteinov je lahko včasih učinkovitejše kot njegova izdelava v obliki enega neprekinjenega proteina.
To opažanje uvaja vznemirljivo novo načelo načrtovanja pri urejanju genoma. Prihodnji urejevalniki morda ne bodo več optimizirani zgolj s spreminjanjem posameznih proteinov. Znanstveniki bodo lahko načrtovali tudi način, kako se več molekularnih komponent sestavlja in medsebojno deluje v živih celicah.
Od laboratorijske inovacije do terapevtske uporabe
Terapevtski potencial te tehnologije je bil prikazan v več pomembnih raziskavah na živalih. Z dostavo prek dveh vektorjev AAV so raziskovalci dosegli zelo učinkovito urejanje gena PCSK9 v mišjih jetrih, pri čemer se je pogostost urejanja približala 79 odstotkom. Ker ima PCSK9 ključno vlogo pri uravnavanju holesterola, ti rezultati dodatno potrjujejo obetavnost urejanja baz za zdravljenje srčno-žilnih bolezni.
Še prepričljivejša je bila uporaba pri Duchennovi mišični distrofiji (DMD), eni najtežjih dednih mišičnih bolezni. Raziskovalci so z adeninskim urejevalnikom baz z motivom zvite vijačnice, dostavljenim prek dveh vektorjev AAV, v mišjem modelu DMD obnovili izražanje distrofina. To je še posebej pomembno, ker mišično tkivo ostaja ena najzahtevnejših tarč za terapije urejanja genoma.
Raziskava kaže, da bi pristopi, ki temeljijo na molekularnem sestavljanju, lahko pripomogli k uporabi naprednih terapij urejanja genoma v tkivih, ki jih je trenutno težko doseči, obenem pa ohranili visoko učinkovitost, potrebno za klinično korist.
Na poti k novi generaciji modularnega urejanja genoma
Morda je najpomembnejše sporočilo izvirnega članka premik k modularnemu urejanju genoma. Namesto da bi urejevalnike genoma obravnavali kot posamezne molekularne stroje, jih lahko raziskovalci zdaj razumejo kot zbirke neodvisno načrtovanih modulov, ki se sestavijo takrat in tam, kjer so potrebni.
To odpira več vznemirljivih možnosti. Prihodnje urejevalne sisteme bi bilo mogoče zasnovati tako, da bi se sestavili samo v določenih vrstah celic, se odzivali na signale, povezane z boleznimi, ali omogočili natančnejši nadzor nad urejevalno aktivnostjo. Modularno sestavljanje bi lahko izboljšalo tudi varnost, saj bi zmanjšalo število neželenih dogodkov urejanja in omogočilo razvoj naprednejših terapevtskih zasnov.
Pomembno je, da strategija ni omejena na urejanje baz. Podobne pristope, ki temeljijo na zvitih vijačnicah, že raziskujejo pri drugih tehnologijah urejanja genoma, vključno s primarnim urejanjem. To nakazuje, da bi programabilno molekularno sestavljanje lahko postalo splošna platforma za naslednjo generacijo genetskih zdravil.
Pogled v prihodnost
Čeprav ostajajo izzivi, med drugim potreba po učinkoviti dostavi več vektorjev in nadaljnji optimizaciji varnostnih profilov, delo, ki sta ga izpostavila Roman Jerala in Duško Lainšček, kaže, kako lahko sintezna biologija ponudi ustvarjalne rešitve za dolgotrajne težave terapevtskega urejanja genoma.
Z uporabo programabilnih interakcij med proteini kot »molekularnega ježka« lahko raziskovalci izdelajo urejevalnike genoma, ki se sami sestavijo v celicah, in tako ustvarijo novo generacijo prilagodljivih orodij za urejanje. Ta pristop ne odpravlja le pomembnega ozkega grla pri dostavi, temveč bi lahko tudi na novo opredelil način načrtovanja prihodnjih genskih in celičnih terapij.