Överraskning! Våra kroppar har gömt en trojansk häst för genterapi

Naturen döljer häpnadsväckande medicinska genombrott.

Ta Crispr, det transformativa genredigeringsverktyget. Den var inspirerad av ett lågt bakteriellt immunförsvar och valde att redigera våra gener för att behandla ärftliga sjukdomar, stärka cancerbehandlingar eller till och med förlänga livslängden. Nu är Dr Feng Zhang, en av pionjärerna inom CRISPR, tillbaka med en annan skapelse som kan släppa lös nästa generations genterapi och RNA-vacciner. Bara den här gången tittade hans team djupt in i våra egna kroppar.

Hur kraftfulla de än är, måste DNA- och RNA-terapier komma in i våra celler för att fungera. Forskare brukar använda virala vektorer – transportmedel gjorda av säkra virus – eller lipidnanopartiklar, små klumpar av skyddande fett, för att kapsla in nytt genetiskt material och tunnel in i celler.

Problemet? Våra kroppar är inte stora fans av främmande ämnen - särskilt sådana som utlöser ett oönskat immunsvar. Dessutom är dessa leveranssystem inte bra med biologiska postnummer, de svärmar ofta över hela kroppen istället för att fokusera på behandlingsområdet. Dessa "förlossningsproblem" är halva kampen för effektiv genetisk medicin med få biverkningar.

"Det biomedicinska samfundet har utvecklat kraftfulla molekylära terapier, men att leverera dem till celler på ett exakt och effektivt sätt är utmanande," sade Zhang vid Broad Institute, McGovern Institute och MIT.

Ange SÄND. Den nya leveransplattformen, beskrivs i Vetenskap, bländar med sin rena uppfinningsrikedom. Istället för att förlita sig på utländska operatörer, SEND (svalfri endogen enkapsidation för cellulär delivery) beordrar mänskliga proteiner för att göra leveransfordon som transporterar in nya genetiska element. I en serie tester bäddade teamet in RNA-last och CRISPR-komponenter i odlade celler i en skål. Cellerna, som fungerade som packningsfabriker, använde mänskliga proteiner för att kapsla in det genetiska materialet och bildade små ballongliknande kärl som kan samlas in som en behandling.

Ännu konstigare, källan till dessa proteiner är beroende av virala gener som tämjts för evigheter sedan av vårt eget genom genom evolutionen. Eftersom proteinerna i huvudsak är mänskliga, är det osannolikt att de triggar vårt immunförsvar.

Även om författarna bara provade ett förpackningssystem, döljer sig mycket fler i våra genom. "Det är det som är så spännande", säger studieförfattaren Dr. Michael Segel och tillade att systemet de använde inte är unikt; "Det finns förmodligen andra RNA-överföringssystem i människokroppen som också kan utnyttjas för terapeutiska ändamål."

Kroppens sjöfartsinfrastruktur

Våra celler är massiva chatterboxar. Och de har flera telefonlinjer.

El är populärt. Det är delvis det som håller neuroner anslutna till nätverk och hjärtceller synkroniserade. Hormoner är en annan, länkar ihop celler från halvvägs runt kroppen genom kemikalier i blodomloppet.

Men det märkligaste kommer från en urgammal vapenvila mellan människa och virus. När vi letar igenom det mänskliga genomet idag är det tydligt att vi har viralt DNA och andra genetiska element inbäddade i våra egna dubbla helixar. De flesta av dessa virala tillägg har förlorat sina ursprungliga funktioner. Vissa har dock rekryterats för att bygga upp våra kroppar och sinnen.

Ta Arc, ett protein tillverkat av en gen som annars kallas gag— en kärnvirusgen som är vanlig i våra genom. Arc är en minne stormästare: som vi lär oss bildar proteinet små kapslar som överför biologiskt material, vilket i sin tur hjälper till att cementera nya minnen i vår repertoar av neurala nätverk. Ett annat protein som liknar gag, kallad PEG10, kan ta tag i RNA och även bilda bubbliga rymdskepp för att hjälpa till att utveckla moderkakan och underlätta reproduktionen.

Om PEG10 gör kartongförpackningarna för genetiskt material, så kommer poststämpeln från en annan viral genfamilj, fusogens. Genen skapar ett slags postnummer, vilket gör att varje rymdskepp, som bär lasten, kan docka på riktade celler.

Även om de ursprungligen var virala till sin natur, har dessa gener invandrat till våra genom och anpassats till ett otroligt specifikt transportsystem som tillåter celler att dela information. Det är i princip en glassboll (eller mochi eller dumplings), där du kan sätta in vilken fyllning som helst. Eftersom våra celler redan kommunicerar med hjälp av dessa biologiska ballonger, fyllda med genetisk data, varför kapar vi inte processen att lägga till våra egna genetiska komponenter?

SKICKA

Det nya leveranssystemet bygger på tre komponenter: förpackningsgenen, en ingångskod och lasten.

Precis som med att lösa ett utrymningsrum är var och en nödvändig för att ett genetiskt meddelande ska komma ut ur en cell. Det första steget är att hitta en förpackningsgen inuti människokroppen som kan bilda en bubbla runt sin last. Med en beräkningsundersökning skannade teamet både människans och musens genom efter gag-liknande gener - liknande de som bildar skyddskapslar för att hjälpa till att bygga upp våra minnen. 48 kandidater dök upp initialt som lastbärare. Så småningom minskade teamet sin sökning till ett protein som heter MmPEG10.

Det är viralt ursprung, sa författarna, även om det är ofarligt i våra kroppar. PEG10s speciella kraft är dess varma kram. Den kan fånga RNA inuti en cell, bilda en bubbla runt den och utsöndra bubblan som miniatyrrymdskepp från ett cellulärt moderskepp. Överraskande nog är dessa rymdskepp ganska speciella när det gäller deras val av last. Med hjälp av en CRISPR-analys insåg teamet att bubblorna bara binder till och transporterar en specifik grupp av RNA som last.

Nästa steg var att hacka och programmera om PEG10:s lastpreferens. Med genetisk analys hittade teamet ett avsnitt om PEG10 som gör att kapseln kan känna igen och packa sin last. När det gäller lasten experimenterade teamet med att lägga till två genetiska "biljetter" eller sekvenser som gjorde det möjligt för dem att komma in i ett PEG10-fartyg. Det liknar ungefär en passagerare som känner igen sin Lyft-förare genom att matcha färgen på bilens instrumentbräda med sin app.

När de två möts bildar PEG10 "drivrutinen" proteiner som virvlar runt den genetiska ryttaren och bildar en klump som utgör den molekylära vehikeln, med målet att fly cellen.

Men hur är det med vägbeskrivningar? Här kommer ingångskoden, eller fusogener, in. Liksom Amazons returkoder är fusogener proteiner som prickar utsidan av en PEG10-taxi, vilket leder dem att gå in i olika celltyper och vävnader. Genom att slå på olika fusogener kan teamet dirigera vart den genetiska lasten går som om den var märkt med ett postnummer.

Att sätta ihop allt

A SEND är en trifekta av komponenter, var och en kodad med hjälp av en vektor – en liten, rund bit av DNA som kan tunneleras in i celler.

Väl inne i cellen sker magin. Varje vektor kopplas in i cellens proteintillverkningsfabrik. PEG10 driver fabriken för att göra packningen. Fusogenen prickar förpackningen med leveranslappar. Och last-RNA:t, med modifieringar för att bättre märka på SEND, är snyggt förpackat i det resulterande fordonet, som driver iväg mot sin destination.

"Genom att blanda och matcha olika komponenter i SEND -systemet tror vi att det kommer att ge en modulär plattform för att utveckla läkemedel för olika sjukdomar", säger Zhang.

Som ett bevis på konceptet använde teamet SEND för att leverera ett CRISPR-system som klipper ut en cancerframkallande gen i celler i en maträtt som ursprungligen härrörde från hjärncancer. Systemet klippte effektivt bort ungefär 60 procent av genen i mottagarceller. Men det gjorde det bara när SEND skickade in CRISPR-komponenterna i cellen, vilket visade att SEND bara levererar genetiskt material som har skräddarsytts för dess transport.

Framöver testar teamet SEND i djurmodeller och konstruerar en verktygslåda för att rikta in sig på olika vävnader och celler. De kommer också att fortsätta leta igenom det mänskliga genomet efter uråldriga genetiska komponenter som kan lägga till SEND-plattformen.

"Vi är glada över att fortsätta driva detta tillvägagångssätt framåt," sade Zhang, "[Det] är ett riktigt kraftfullt koncept."

Bildkredit: Efter montering inuti cellen släpps SEND-paket för att samlas in för genterapi. Foto med tillstånd av McGovern Institute.

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