Overraskelse! Kroppene våre har gjemt en trojansk hest for genterapi

Naturen skjuler forbløffende medisinske gjennombrudd.

Ta CRISPR, det transformative genredigeringsverktøyet. Den ble inspirert av et lavt bakterielt immunforsvar og valgte å redigere genene våre for å behandle arvelige sykdommer, styrke kreftbehandlinger eller til og med forlenge levetiden. Nå er Dr. Feng Zhang, en av pionerene innen CRISPR, tilbake med en ny skapelse som kan slippe løs neste generasjon av genterapi og RNA-vaksiner. Bare denne gangen så teamet hans dypt inn i vår egen kropp.

Kraftige som de er, trenger DNA- og RNA-terapi for å få en tur inn i cellene våre for å fungere. Forskere bruker vanligvis virale vektorer - transportmidler laget av trygge virus - eller lipidnanopartikler, små klatter av beskyttende fett, for å kapsle inn nytt genetisk materiale og tunnelere inn i celler.

Problemet? Kroppene våre er ikke store fans av fremmede stoffer - spesielt de som utløser en uønsket immunrespons. Dessuten er disse leveringssystemene ikke bra med biologiske postnumre, de svermer ofte over hele kroppen i stedet for å fokusere på behandlingsområdet. Disse "leveringsproblemene" er halve kampen for effektiv genetisk medisin med få bivirkninger.

"Det biomedisinske samfunnet har utviklet kraftige molekylære terapier, men å levere dem til cellene på en presis og effektiv måte er utfordrende," sa Zhang ved Broad Institute, McGovern Institute og MIT.

Skriv inn SEND. Den nye leveringsplattformen, beskrevet i Vitenskap, blender med sin rene oppfinnsomhet. I stedet for å stole på utenlandske operatører, SEND (svalgfag endogen enkapsidasjon for mobilnettet delivery) beordrer menneskelige proteiner for å lage leveringskjøretøyer som transporterer inn nye genetiske elementer. I en serie tester innebygde teamet RNA-last og CRISPR-komponenter i dyrkede celler i en tallerken. Cellene, som fungerte som pakkefabrikker, brukte menneskelige proteiner til å kapsle inn det genetiske materialet, og dannet små ballonglignende kar som kan samles inn som en behandling.

Enda merkeligere, kilden til disse proteinene er avhengig av virale gener som ble domestisert for evigheter siden av vårt eget genom gjennom evolusjon. Fordi proteinene i hovedsak er mennesker, er det usannsynlig at de vil utløse immunsystemet vårt.

Selv om forfatterne bare prøvde ett emballasjesystem, skjuler det seg langt flere i genomene våre. "Det er det som er så spennende," sa studieforfatter Dr. Michael Segel, og la til at systemet de brukte ikke er unikt; "Det er sannsynligvis andre RNA-overføringssystemer i menneskekroppen som også kan utnyttes til terapeutiske formål."

Kroppens fraktinfrastruktur

Cellene våre er enorme chatterboxes. Og de har flere telefonlinjer.

Elektrisitet er populært. Det er delvis det som holder nevronene koblet til nettverk og hjerteceller synkronisert. Hormoner er en annen, som forbinder celler fra halvveis rundt kroppen gjennom kjemikalier i blodet.

Men det merkeligste kommer fra en eldgammel våpenhvile mellom menneske og virus. Når vi gjennomsøker det menneskelige genomet i dag, er det klart at vi har viralt DNA og andre genetiske elementer innebygd i våre egne doble helikser. De fleste av disse virale tilleggene har mistet sin opprinnelige funksjon. Noen har imidlertid blitt rekruttert for å bygge opp kropper og sinn.

Ta Arc, et protein laget av et gen ellers kjent som gag– et kjernevirusgen som er vanlig i genomene våre. Arc er en minne stormester: som vi lærer, danner proteinet bittesmå kapsler som overfører biologisk materiale, som igjen bidrar til å sementere nye minner inn i vårt nevrale nettverksrepertoar. Et annet protein som ligner på gag, kalt PEG10, kan gripe tak i RNA og også danne sprudlende romskip for å utvikle morkaken og hjelpe reproduksjonen.

Hvis PEG10 lager pappemballasjen for genetisk materiale, så kommer poststempelet fra en annen viral genfamilie, fusogens. Genet lager et slags postnummer, slik at hvert romskip, som bærer lasten, kan legge til kai på målrettede celler.

Selv om de opprinnelig var virale av natur, har disse genene immigrert inn i genomene våre og tilpasset seg til et utrolig spesifikt transportsystem som lar celler dele informasjon. Det er i bunn og grunn en iskremkule (eller mochi eller dumplings), hvor du kan sette inn alle slags fyll. Siden cellene våre allerede kommuniserer ved hjelp av disse biologiske ballongene, fylt med genetiske data, hvorfor kaprer vi ikke prosessen for å legge til våre egne genetiske komponenter?

SENDE

Det nye leveringssystemet er avhengig av tre komponenter: emballasjegenet, en inngangskode og lasten.

Som med å løse et rømningsrom, er hver enkelt nødvendig for at en genetisk melding skal komme ut av en celle. Det første trinnet er å finne et emballasjegen inne i menneskekroppen som kan danne en boble rundt lasten. Med en beregningsundersøkelse skannet teamet både menneskelige og muse-genomer for gag-lignende gener - lik de som danner beskyttende kapsler for å bygge opp minnene våre. 48 kandidater dukket først opp som lasteskip. Til slutt begrenset teamet søket til et protein kalt MmPEG10.

Det er viralt i opprinnelse, sa forfatterne, selv om det er ufarlig i kroppene våre. PEG10s spesielle kraft er den varme klemmen. Den kan fange RNA inne i en celle, danne en boble rundt den og skille ut boblen som miniatyrromskip fra et cellulært moderskip. Overraskende nok er disse romskipene ganske spesielle når det gjelder valg av last. Ved hjelp av en CRISPR-analyse innså teamet at boblene bare binder seg til og transporterer en bestemt gruppe RNA som last.

Neste trinn var å hacke og omprogrammere PEG10s lastpreferanse. Med genetisk analyse fant teamet en del om PEG10 som lar kapselen gjenkjenne og pakke lasten. Når det gjelder lasten, eksperimenterte teamet med å legge til to genetiske "billetter" eller sekvenser som tillot dem å gå inn i et PEG10-skip. Det er omtrent likt en passasjer som gjenkjenner Lyft-sjåføren sin ved å matche fargen på bilens dashbord til appen deres.

Når de to møtes, danner "driveren" PEG10 proteiner som virvler rundt den genetiske rytteren, og danner en klump som utgjør det molekylære kjøretøyet, med et mål om å unnslippe cellen.

Men hva med veibeskrivelse? Her er hvor inngangskoden, eller fusogener, kommer inn. I likhet med Amazon-returkoder, er fusogener proteiner som prikker utsiden av en PEG10-taxi, og dirigerer dem til å gå inn i forskjellige celletyper og vev. Ved å slå på forskjellige fusogener kan teamet lede hvor den genetiske lasten går som om den er merket med et postnummer.

Putting It All Together

En SEND er en trifekta av komponenter, hver kodet ved hjelp av en vektor – et lite, rundt stykke DNA som kan tunneleres inn i celler.

Vel inne i cellen skjer magien. Hver vektor tar seg inn i cellens proteinfremstillingsfabrikk. PEG10 driver fabrikken for å lage pakkingen. Fusogenet prikker emballasjen med leveringssedler. Og last-RNA, med modifikasjoner for bedre å merke på SEND, er pent pakket i det resulterende kjøretøyet, som driver av gårde mot bestemmelsesstedet.

"Ved å blande og matche forskjellige komponenter i SEND -systemet, tror vi at det vil gi en modulær plattform for å utvikle terapi for forskjellige sykdommer," sa Zhang.

Som et proof of concept brukte teamet SEND for å levere et CRISPR-system som klipper ut et kreftfremkallende gen i celler i en rett som opprinnelig stammer fra hjernekreft. Systemet kuttet effektivt ut omtrent 60 prosent av genet i mottakerceller. Men det gjorde det først da SEND sendte CRISPR-komponentene inn i cellen, og viste at SEND bare leverer genetisk materiale som er spesiallaget for transporten.

Fremover tester teamet SEND i dyremodeller og konstruerer en verktøykasse for å målrette mot forskjellige vev og celler. De vil også fortsette å undersøke det menneskelige genomet for eldgamle genetiske komponenter som kan legge til SEND-plattformen.

"Vi er glade for å fortsette å presse denne tilnærmingen fremover," sa Zhang, "[Det] er et veldig kraftig konsept."

Bildekreditt: Etter montering inne i cellen frigis SEND-pakker for å bli samlet inn for genterapi. Foto med tillatelse fra McGovern Institute.

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