Overraskelse! Vores kroppe har gemt en trojansk hest til genterapi

Naturen gemmer på forbløffende medicinske gennembrud.

Tag CRISPR, det transformative genredigeringsværktøj. Det var inspireret af et lavt bakterielt immunforsvar og valgte at redigere vores gener for at behandle arvelige sygdomme, styrke kræftbehandlinger eller endda forlænge levetiden. Nu er Dr. Feng Zhang, en af ​​pionererne inden for CRISPR, tilbage med endnu en kreation, der kunne frigive den næste generation af genterapi og RNA-vacciner. Kun denne gang kiggede hans hold dybt ind i vores egen krop.

Kraftfulde som de er, skal DNA- og RNA-terapier for at få en tur ind i vores celler for at arbejde. Forskere kalder normalt på virale vektorer - leveringsmidler lavet af sikre vira - eller lipid-nanopartikler, små klatter af beskyttende fedt, til at indkapsle nyt genetisk materiale og tunnelere ind i celler.

Problemet? Vores kroppe er ikke store fans af fremmede stoffer - især dem, der udløser et uønsket immunrespons. Hvad mere er, er disse leveringssystemer ikke gode med biologiske postnumre, de myldrer ofte over hele kroppen i stedet for at fokusere på behandlingsområdet. Disse "leveringsproblemer" er halvdelen af ​​kampen for effektiv genetisk medicin med få bivirkninger.

"Det biomedicinske samfund har udviklet kraftfulde molekylære terapier, men at levere dem til celler på en præcis og effektiv måde er udfordrende," sagde Zhang ved Broad Institute, McGovern Institute og MIT.

Indtast SEND. Den nye leveringsplatform, beskrevet i Videnskab, blænder med sin rene opfindsomhed. I stedet for at stole på udenlandske transportører, SEND (selektiv eindogen encapsidation for cellulære delivery) kommanderer menneskelige proteiner til at lave leveringskøretøjer, der transporterer nye genetiske elementer ind. I en række tests indlejrede holdet RNA-last og CRISPR-komponenter i dyrkede celler i en skål. Cellerne, der fungerede som pakkefabrikker, brugte menneskelige proteiner til at indkapsle det genetiske materiale og dannede små ballonlignende kar, der kan opsamles som en behandling.

Endnu mærkeligere er kilden til disse proteiner afhængig af virale gener, som er tæmmet for evigheder siden af ​​vores eget genom gennem evolution. Fordi proteinerne i det væsentlige er mennesker, er det usandsynligt, at de udløser vores immunsystem.

Selvom forfatterne kun prøvede ét emballagesystem, er der langt flere gemt i vores genomer. "Det er det, der er så spændende," sagde undersøgelsesforfatter Dr. Michael Segel og tilføjede, at det system, de brugte, ikke er unikt; "Der er sandsynligvis andre RNA-overførselssystemer i den menneskelige krop, som også kan udnyttes til terapeutiske formål."

Kroppens skibsfartsinfrastruktur

Vores celler er massive chatterboxes. Og de har flere telefonlinjer.

Elektricitet er populært. Det er til dels det, der holder neuroner tilsluttet netværk og hjerteceller synkroniseret. Hormoner er en anden, der forbinder celler fra halvvejs rundt om kroppen gennem kemikalier i blodbanen.

Men det mærkeligste kommer fra en ældgammel våbenhvile mellem menneske og virus. Når vi gennemsøger det menneskelige genom i dag, er det klart, at vi har viralt DNA og andre genetiske elementer indlejret i vores egne dobbeltspiraler. De fleste af disse virale tilføjelser har mistet deres oprindelige funktioner. Nogle er dog blevet rekrutteret til at opbygge vores krop og sind.

Tag Arc, et protein lavet af et gen ellers kendt som gag-et kerne viralt gen, der er almindeligt i vores genomer. Arc er en hukommelse stormester: som vi lærer, danner proteinet små kapsler, der overfører biologisk materiale, som igen hjælper med at cementere nye minder ind i vores neurale netværksrepertoire. Et andet protein ligner gag, kaldet PEG10, kan gribe ind i RNA og også danne boblende rumskibe for at hjælpe med at udvikle moderkagen og hjælpe med reproduktionen.

Hvis PEG10 laver papemballagen til genetisk materiale, så kommer poststemplet fra en anden viral genfamilie, fusogens. Genet skaber en slags postnummer, der gør det muligt for hvert rumskib, der transporterer lasten, at dokke til målrettede celler.

Selvom de oprindeligt var virale i naturen, er disse gener immigreret ind i vores genomer og tilpasset sig til et utroligt specifikt transportsystem, der tillader celler at dele information. Det er i bund og grund en iskugle (eller mochi eller dumplings), hvor du kan indsætte enhver form for fyld. Eftersom vores celler allerede kommunikerer ved hjælp af disse biologiske balloner, fyldt med genetiske data, hvorfor kaprer vi så ikke processen med at tilføje vores egne genetiske komponenter?

SENDE

Det nye leveringssystem bygger på tre komponenter: emballagegenet, en indgangskode og lasten.

Som med at løse et escape room, er hver enkelt nødvendig for, at en genetisk besked kan komme ud af en celle. Det første skridt er at finde et emballagegen inde i menneskekroppen, der kan danne en boble omkring sin last. Med en beregningsundersøgelse scannede holdet både menneske- og musegenomer for gag-lignende gener - svarende til dem, der danner beskyttende kapsler for at hjælpe med at opbygge vores minder. 48 kandidater dukkede oprindeligt op som fragtskibe. Til sidst indsnævrede holdet deres søgning til et protein kaldet MmPEG10.

Det er viralt af oprindelse, sagde forfatterne, selvom det er harmløst i vores kroppe. PEG10s særlige kraft er dens varme kram. Den kan fange RNA inde i en celle, danne en boble omkring den og udskille boblen som miniaturerumskibe fra et cellulært moderskib. Overraskende nok er disse rumskibe ret særlige med hensyn til deres valg af last. Ved hjælp af et CRISPR-assay indså holdet, at boblerne kun binder sig til og transporterer en bestemt gruppe RNA som last.

Det næste skridt var at hacke og omprogrammere PEG10's godspræference. Med genetisk analyse fandt holdet et afsnit om PEG10, der gør det muligt for kapslen at genkende og pakke sin last. Hvad angår lasten, eksperimenterede holdet med at tilføje to genetiske "billetter" eller sekvenser, der gjorde det muligt for dem at komme ind i et PEG10-skib. Det svarer nogenlunde til, at en passager genkender deres Lyft-chauffør ved at matche farven på bilens instrumentbræt til deres app.

Når de to mødes, danner PEG10 "driveren" proteiner, der hvirvler rundt om den genetiske rytter og danner en klat, der udgør det molekylære vehikel, med det mål at undslippe cellen.

Men hvad med retninger? Det er her, indgangskoden eller fusogenerne kommer ind. Ligesom Amazons returkoder er fusogener proteiner, der prikker ydersiden af ​​en PEG10-taxi og dirigerer dem til at gå ind i forskellige celletyper og væv. Ved at slå på forskellige fusogener kan holdet dirigere, hvor den genetiske last går hen, som om den var mærket med et postnummer.

Sætte det hele sammen

En SEND er en trifecta af komponenter, som hver kodes ved hjælp af en vektor - et lille, rundt stykke DNA, der kan tunnelere ind i celler.

Når først er inde i cellen, sker magien. Hver vektor kommer ind i cellens proteinfremstillingsfabrik. PEG10 driver fabrikken til at lave pakningen. Fusogenet prikker emballagen med leveringssedler. Og fragt-RNA'et, med modifikationer for bedre at mærke på SEND, er pænt pakket ind i det resulterende køretøj, som driver af sted mod sin destination.

"Ved at blande og matche forskellige komponenter i SEND-systemet tror vi, at det vil give en modulær platform til at udvikle terapeutiske midler til forskellige sygdomme," sagde Zhang.

Som et bevis på konceptet brugte holdet SEND til at levere et CRISPR-system, der klipper et kræftfremkaldende gen ud i celler i en skål, der oprindeligt stammer fra hjernekræft. Systemet udskærer effektivt omkring 60 procent af genet i modtagerceller. Men det gjorde det først, da SEND sendte CRISPR-komponenterne ind i cellen, hvilket viste, at SEND kun leverer genetisk materiale, der er specialfremstillet til dets transport.

Fremover tester holdet SEND i dyremodeller og udvikler en værktøjskasse til at målrette forskellige væv og celler. De vil også blive ved med at gennemsøge det menneskelige genom for ældgamle genetiske komponenter, der kunne tilføje SEND-platformen.

"Vi er glade for at blive ved med at skubbe denne tilgang fremad," sagde Zhang, "[Det] er et virkelig kraftfuldt koncept."

Billedkredit: Efter samling inde i cellen frigives SEND-pakker for at blive indsamlet til genterapi. Foto udlånt af McGovern Institute.

Kilde: https://singularityhub.com/2021/08/24/surprise-our-bodies-have-been-hiding-a-trojan-horse-for-gene-therapy/