Verrassing! Onze lichamen hebben een Trojaans paard verborgen voor gentherapie

De natuur verbergt verbazingwekkende medische doorbraken.

Nemen CRISPR, het transformatieve hulpmiddel voor het bewerken van genen. Het werd geïnspireerd door een eenvoudig bacterieel afweersysteem en werd gecoöpteerd om onze genen te bewerken om erfelijke ziekten te behandelen, kankerbehandelingen te ondersteunen, of zelfs levensduur verlengen. Nu is Dr. Feng Zhang, een van de pioniers van CRISPR, terug met een nieuwe creatie die de volgende generatie gentherapie zou kunnen ontketenen en RNA-vaccins. Alleen deze keer keek zijn team diep in ons eigen lichaam.

Hoe krachtig ze ook zijn, DNA- en RNA-therapieën moeten onze cellen binnendringen om te kunnen werken. Wetenschappers maken meestal gebruik van virale vectoren – leveringsvoertuigen gemaakt van veilige virussen – of lipide nanodeeltjes, kleine klodders beschermend vet, om nieuw genetisch materiaal in te kapselen en in cellen te tunnelen.

Het probleem? Ons lichaam is geen grote fan van vreemde stoffen, vooral niet van stoffen die een ongewenste immuunreactie veroorzaken. Bovendien zijn deze toedieningssystemen niet geweldig met biologische postcodes, die vaak het hele lichaam bestrijken in plaats van zich te concentreren op het behandelingsgebied. Deze ‘afleveringsproblemen’ zijn het halve werk voor effectieve genetische medicijnen met weinig bijwerkingen.

“De biomedische gemeenschap heeft krachtige moleculaire therapieën ontwikkeld, maar het is een uitdaging om deze op een precieze en efficiënte manier aan de cellen te leveren,” zei Zhang bij het Broad Institute, het McGovern Institute en MIT.

Voer VERZENDEN in. Het nieuwe bezorgplatform, beschreven in Wetenschap, verblindt door zijn pure vindingrijkheid. In plaats van te vertrouwen op buitenlandse vervoerders, SEND (selectieve endogene encapsidatie voor cellulair ddelivery) beheert menselijke eiwitten om bezorgvoertuigen te maken die nieuwe genetische elementen binnenbrengen. In een reeks tests heeft het team RNA-lading en CRISPR-componenten ingebed in gekweekte cellen in een schaaltje. De cellen, die als verpakkingsfabrieken fungeerden, gebruikten menselijke eiwitten om het genetische materiaal in te kapselen, waardoor kleine ballonachtige vaten ontstonden die als behandeling kunnen worden verzameld.

Nog vreemder is dat de bron van deze eiwitten afhankelijk is van virale genen die eeuwen geleden door ons eigen genoom door evolutie zijn gedomesticeerd. Omdat de eiwitten in wezen menselijk zijn, is het onwaarschijnlijk dat ze ons immuunsysteem activeren.

Hoewel de auteurs slechts één verpakkingssysteem hebben uitgeprobeerd, zijn er nog veel meer verborgen in onze genomen. “Dat is wat zo opwindend is,” zei studieauteur Dr. Michael Segel, eraan toevoegend dat het systeem dat ze gebruikten niet uniek is; “Er zijn waarschijnlijk andere RNA-overdrachtssystemen in het menselijk lichaam die ook voor therapeutische doeleinden kunnen worden ingezet.”

De scheepvaartinfrastructuur van het lichaam

Onze cellen zijn enorme babbelboxen. En ze hebben meerdere telefoonlijnen.

Elektriciteit is populair. Het zorgt er gedeeltelijk voor dat neuronen verbonden blijven met netwerken en hartcellen gesynchroniseerd worden. Een ander voorbeeld zijn hormonen, die cellen halverwege het lichaam met elkaar verbinden via chemicaliën in de bloedbaan.

Maar het vreemdste komt voort uit een eeuwenoude wapenstilstand tussen mens en virus. Als we vandaag de dag het menselijk genoom doorzoeken, is het duidelijk dat we viraal DNA en andere genetische elementen ingebed hebben in onze eigen dubbele helices. De meeste van deze virale toevoegingen hebben hun oorspronkelijke functies verloren. Sommigen zijn echter gerekruteerd om ons lichaam en onze geest op te bouwen.

Neem Arc, een eiwit gemaakt van een gen dat ook wel bekend staat als gag– een viraal kerngen dat veel voorkomt in onze genomen. Boog is een geheugen grootmeester: zoals we leren, vormt het eiwit kleine capsules die biologisch materiaal overbrengen, wat op zijn beurt helpt nieuwe herinneringen in ons neurale netwerkrepertoire te cementeren. Een ander eiwit vergelijkbaar met gag, genaamd PEG10, kan RNA vastgrijpen en ook bruisende ruimteschepen vormen om de placenta te helpen ontwikkelen en de voortplanting te bevorderen.

Als PEG10 de kartonnen verpakking voor genetisch materiaal maakt, dan is de postzegel afkomstig van een andere virale genfamilie, fusogenen. Het gen creëert een soort postcode, waardoor elk ruimteschip, dat de lading vervoert, aan gerichte cellen kan aanmeren.

Hoewel ze oorspronkelijk viraal van aard waren, zijn deze genen in onze genomen geïmmigreerd en aangepast aan een verbazingwekkend specifiek transportsysteem waarmee cellen informatie kunnen delen. Het is eigenlijk een ijsbal (of mochi of dumplings), waar je elke vorm van vulling in kunt doen. Omdat onze cellen al communiceren met behulp van deze biologische ballonnen, gevuld met genetische gegevens, waarom kapen we het proces niet door onze eigen genetische componenten toe te voegen?

VERSTUREN

Het nieuwe bezorgsysteem is gebaseerd op drie componenten: het verpakkingsgen, een toegangscode en de lading.

Net als bij het oplossen van een escape room is elke escape room nodig om een ​​genetische boodschap uit een cel te laten komen. De eerste stap is het vinden van een verpakkingsgen in het menselijk lichaam dat een luchtbel rond de lading kan vormen. Met een computationeel onderzoek heeft het team zowel menselijke als muizengenomen gescand gag-achtige genen – vergelijkbaar met degenen die beschermende capsules vormen om ons geheugen te helpen opbouwen. Aanvankelijk doken 48 kandidaten op als vrachtvervoerders. Uiteindelijk beperkte het team hun zoektocht tot een eiwit genaamd MmPEG10.

Het is van virale oorsprong, zeggen de auteurs, hoewel het onschadelijk is in ons lichaam. De bijzondere kracht van PEG10 is zijn warme knuffel. Het kan RNA in een cel opvangen, er een bel omheen vormen en de bel als miniatuurruimteschepen afscheiden van een cellulair moederschip. Verrassend genoeg zijn deze ruimteschepen nogal kieskeurig wat betreft hun vrachtkeuze. Met behulp van een CRISPR-test realiseerde het team zich dat de bellen zich alleen aan een specifieke groep RNA binden en als lading vervoeren.

De volgende stap was het hacken en herprogrammeren van de vrachtvoorkeur van PEG10. Met genetische analyse heeft het team een ​​sectie op PEG10 gevonden waarmee de capsule zijn lading kan herkennen en verpakken. Wat de lading betreft, experimenteerde het team met het toevoegen van twee genetische ‘tickets’, oftewel sequenties waarmee ze een PEG10-schip konden betreden. Het is ongeveer vergelijkbaar met een passagier die zijn Lyft-chauffeur herkent door de kleur op het dashboard van de auto te matchen met zijn app.

Zodra de twee elkaar ontmoeten, vormt de PEG10-‘driver’ eiwitten die rond de genetische rider wervelen en een klodder vormen die het moleculaire voertuig vormt, met als doel uit de cel te ontsnappen.

Maar hoe zit het met de routebeschrijving? Hier komt de toegangscode, of fusogenen, om de hoek kijken. Net als Amazon-retourcodes zijn fusogenen eiwitten die aan de buitenkant van een PEG10-taxi staan, waardoor ze naar verschillende celtypen en weefsels gaan. Door verschillende fusogenen aan te brengen, kan het team bepalen waar de genetische lading naartoe gaat, alsof er een postcode op staat.

Alles bij Elkaar

Een SEND is een trifecta van componenten, elk gecodeerd met behulp van een vector: een klein, rond stukje DNA dat in cellen kan tunnelen.

Eenmaal in de cel gebeurt de magie. Elke vector maakt gebruik van de eiwitfabriek van de cel. PEG10 stuurt de fabriek aan om de verpakking te maken. De fusogen stippelt de verpakking uit met leveringsbonnen. En het vracht-RNA, met aanpassingen om beter aan SEND te kunnen worden gekoppeld, wordt netjes verpakt in het resulterende voertuig, dat naar zijn bestemming afdrijft.

"Door verschillende componenten in het SEND-systeem te mixen en matchen, geloven we dat het een modulair platform zal bieden voor het ontwikkelen van therapieën voor verschillende ziekten", zei Zhang.

Als proof of concept gebruikte het team SEND om een ​​CRISPR-systeem te ontwikkelen dat een kankerverwekkend gen uit cellen in een schaaltje knipt dat oorspronkelijk afkomstig was van hersenkanker. Het systeem verwijderde op efficiënte wijze ongeveer 60 procent van het gen in de ontvangende cellen. Maar dat gebeurde pas toen SEND de CRISPR-componenten de cel in bracht, wat aantoont dat SEND alleen genetisch materiaal levert dat op maat is gemaakt voor het transport ervan.

In de toekomst test het team SEND in diermodellen en ontwikkelt het een toolbox om verschillende weefsels en cellen te targeten. Ze zullen ook het menselijk genoom blijven doorzoeken op zoek naar oude genetische componenten die kunnen bijdragen aan het SEND-platform.

“We zijn blij dat we deze aanpak verder kunnen ontwikkelen”, zegt Zhang. “[Het] is een heel krachtig concept.”

Beeldcredits: Na montage in de cel worden SEND-pakketten vrijgegeven om te worden verzameld voor gentherapie. Foto met dank aan het McGovern Instituut.

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