Niespodzianka! Nasze ciała ukrywają konia trojańskiego do terapii genowej

Natura kryje w sobie zadziwiające odkrycia medyczne.

Brać CRISPR, transformacyjne narzędzie do edycji genów. Została zainspirowana niskim bakteryjnym systemem obrony immunologicznej i dokooptowana do edycji naszych genów w celu leczenia chorób dziedzicznych, wzmocnienia leczenia raka, a nawet wydłużyć żywotność. Teraz dr Feng Zhang, jeden z pionierów CRISPR, powraca z kolejnym dziełem, które może uwolnić następną generację terapii genowej i Szczepionki RNA. Tylko tym razem jego zespół zajrzał głęboko w nasze ciała.

Choć są potężne, terapeutyki DNA i RNA muszą dostać się do naszych komórek, aby zadziałały. Naukowcy zwykle wykorzystują wektory wirusowe – nośniki przenoszenia wykonane z bezpiecznych wirusów – lub nanocząsteczki lipidowe, małe kropelki ochronnego tłuszczu, do kapsułkowania nowego materiału genetycznego i tunelowania do komórek.

Problem? Nasze ciała nie są wielkimi fanami obcych substancji – szczególnie tych, które wywołują niepożądaną odpowiedź immunologiczną. Co więcej, te systemy dostarczania nie są świetne w przypadku biologicznych kodów pocztowych, często obejmując całe ciało zamiast skupiać się na obszarze leczenia. Te „problemy z dostarczaniem” to połowa sukcesu w walce o skuteczną medycynę genetyczną z kilkoma skutkami ubocznymi.

„Społeczność biomedyczna opracowuje potężne molekularne środki terapeutyczne, ale dostarczanie ich do komórek w precyzyjny i skuteczny sposób stanowi wyzwanie” powiedziany Zhanga w Broad Institute, McGovern Institute i MIT.

Wpisz WYŚLIJ. Nowa platforma dostaw, opisane w nauka, olśniewa swoją pomysłowością. Zamiast polegać na zagranicznych przewoźnikach, SEND (sobieralny eendogenny enkapsydacja na komórkę delivery) rekwiruje ludzkie białka, aby stworzyć pojazdy transportujące nowe elementy genetyczne. W serii testów zespół osadził ładunki RNA i komponenty CRISPR w hodowanych komórkach w naczyniu. Komórki, działające jako fabryki pakowania, wykorzystywały ludzkie białka do kapsułkowania materiału genetycznego, tworząc maleńkie naczynia przypominające balony, które można zebrać w ramach leczenia.

Jeszcze dziwniejsze jest to, że źródłem tych białek są geny wirusowe udomowione eony temu przez nasz własny genom w drodze ewolucji. Ponieważ białka są zasadniczo ludzkie, jest mało prawdopodobne, aby uruchomiły nasz układ odpornościowy.

Chociaż autorzy wypróbowali tylko jeden system pakowania, w naszych genomach ukrytych jest znacznie więcej. „To właśnie jest takie ekscytujące” — powiedział autor badania, dr Michael Segel, dodając, że system, którego użyli, nie jest wyjątkowy; „Prawdopodobnie istnieją inne systemy transferu RNA w ludzkim ciele, które można również wykorzystać do celów terapeutycznych”.

Infrastruktura wysyłkowa ciała

Nasze komórki to ogromne gaduły. I mają wiele linii telefonicznych.

Elektryka jest popularna. Częściowo to właśnie utrzymuje neurony podłączone do sieci i synchronizuje komórki serca. Hormony to kolejna rzecz, łącząca komórki z połowy ciała poprzez substancje chemiczne w krwioobiegu.

Ale najdziwniejsze wynika z odwiecznego rozejmu między człowiekiem a wirusem. Przeszukując dzisiaj ludzki genom, jest jasne, że mamy wirusowe DNA i inne elementy genetyczne osadzone w naszych własnych podwójnych helisach. Większość z tych wirusowych dodatków utraciła swoje pierwotne funkcje. Niektórzy jednak zostali zatrudnieni do budowania naszych ciał i umysłów.

Weźmy Arc, białko wytworzone z genu zwanego inaczej knebel— podstawowy gen wirusowy, który jest powszechny w naszych genomach. Arc jest pamięć arcymistrz: jak się dowiadujemy, białko tworzy maleńkie kapsułki, które przenoszą materiał biologiczny, co z kolei pomaga cementować nowe wspomnienia w naszym repertuarze sieci neuronowych. Inne białko podobne do knebel, nazwany PEG10, może chwytać RNA, a także tworzyć bąbelkowe statki kosmiczne, aby pomóc w rozwoju łożyska i wspomagać reprodukcję.

Jeśli PEG10 produkuje kartonowe opakowanie materiału genetycznego, to znaczek pocztowy pochodzi z innej rodziny genów wirusowych, fuzogenów. Gen tworzy swego rodzaju kod pocztowy, umożliwiając każdemu statkowi kosmicznemu przewożącemu ładunek dokowanie do docelowych komórek.

Chociaż pierwotnie miały charakter wirusowy, geny te przeniknęły do ​​naszych genomów i przystosowały się do niezwykle specyficznego systemu transportowego, który umożliwia komórkom wymianę informacji. To w zasadzie kulka lodów (lub mochi lub pierożki), w którą można włożyć dowolne nadzienie. Skoro nasze komórki już komunikują się za pomocą tych biologicznych balonów wypełnionych danymi genetycznymi, dlaczego nie przejmiemy kontroli nad procesem i dodamy nasze własne komponenty genetyczne?

WYŚLIJ

Nowy system dostawy opiera się na trzech komponentach: genie opakowania, kodzie wejściowym i ładunku.

Podobnie jak w przypadku rozwiązania pokoju ewakuacyjnego, każdy z nich jest niezbędny, aby wiadomość genetyczna wydostała się z komórki. Pierwszym krokiem jest znalezienie genu pakowania w ludzkim ciele, który może tworzyć bańkę wokół swojego ładunku. W ankiecie obliczeniowej zespół przeskanował zarówno genomy ludzkie, jak i mysie knebel-podobne geny — podobne do tych, które tworzą ochronne kapsuły pomagające budować nasze wspomnienia. Początkowo jako przewoźnicy ładunków zgłosiło się 48 kandydatów. Ostatecznie zespół zawęził poszukiwania do białka zwanego MmPEG10.

Autorzy stwierdzili, że jest pochodzenia wirusowego, chociaż jest nieszkodliwy w naszych ciałach. Szczególną mocą PEG10 jest jego ciepły uścisk. Może wychwytywać RNA wewnątrz komórki, tworzyć wokół niej bańkę i wydzielać bańkę jak miniaturowe statki kosmiczne z komórkowego statku-matki. Co zaskakujące, te statki kosmiczne są dość szczególne w wyborze ładunku. Za pomocą testu CRISPR zespół zdał sobie sprawę, że bąbelki wiążą się i przenoszą tylko określoną grupę RNA jako ładunek.

Następnym krokiem było zhakowanie i przeprogramowanie preferencji ładunku PEG10. Dzięki analizie genetycznej zespół znalazł sekcję na PEG10, która pozwala kapsule rozpoznać i zapakować swój ładunek. Jeśli chodzi o ładunek, zespół eksperymentował z dodaniem dwóch genetycznych „biletów” lub sekwencji, które pozwoliły im wejść na statek PEG10. Jest to z grubsza podobne do tego, jak pasażer rozpoznaje swojego kierowcę Lyft, dopasowując kolor na desce rozdzielczej samochodu do swojej aplikacji.

Gdy ta dwójka się spotka, „kierowca” PEG10 tworzy białka, które wirują wokół genetycznego jeźdźca, tworząc kroplę, która tworzy nośnik molekularny, którego celem jest ucieczka z komórki.

Ale co z kierunkami? Tutaj wkracza kod wejściowy lub fuzogeny. Podobnie jak kody zwrotne Amazon, fuzogeny to białka, które znajdują się na zewnątrz taksówki PEG10, kierując je do wnętrza różnych typów komórek i tkanek. Uderzając w różne fuzogeny, zespół może kierować, dokąd trafia ładunek genetyczny, jakby był oznaczony kodem pocztowym.

Wszystko razem

SEND to trifecta komponentów, z których każdy jest zakodowany za pomocą wektora - małego, okrągłego fragmentu DNA, który może tunelować do komórek.

Po wejściu do celi dzieje się magia. Każdy wektor łączy się z fabryką białek w komórce. PEG10 napędza fabrykę do wykonania opakowania. Fusogen kropkuje opakowanie z listami przewozowymi. A RNA ładunku, z modyfikacjami mającymi na celu lepsze oznaczenie na SEND, jest starannie zapakowane w powstały pojazd, który dryfuje w kierunku miejsca przeznaczenia.

„Dzięki mieszaniu i dopasowywaniu różnych komponentów w systemie SEND wierzymy, że zapewni on modułową platformę do opracowywania leków na różne choroby” – powiedział Zhang.

Jako dowód poprawności koncepcji, zespół wykorzystał SEND do dostarczenia systemu CRISPR, który wycina rakotwórczy gen z komórek w naczyniu pochodzącym pierwotnie z raka mózgu. System skutecznie wycinał około 60 procent genu w komórkach biorców. Ale zrobił to dopiero wtedy, gdy SEND przetransportował składniki CRISPR do komórki, pokazując, że SEND dostarcza tylko materiał genetyczny, który został dostosowany do jego transportu.

Idąc dalej, zespół testuje SEND na modelach zwierzęcych i opracowuje zestaw narzędzi do celowania w różne tkanki i komórki. Będą również nadal przeszukiwać ludzki genom w poszukiwaniu starożytnych składników genetycznych, które mogłyby zostać dodane do platformy SEND.

„Cieszymy się, że możemy dalej rozwijać to podejście” — powiedział Zhang — „[To] to naprawdę potężna koncepcja”.

Image Credit: Po złożeniu wewnątrz komórki pakiety SEND są uwalniane do pobrania w celu terapii genowej. Zdjęcie dzięki uprzejmości Instytutu McGovern.

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