Сюрприз! Наші тіла приховували троянського коня для генної терапії

Природа приховує дивовижні медичні відкриття.

Приймати CRISPR, інструмент трансформаційного редагування генів. Його надихнула низька імунна система бактеріального захисту та допомогла редагувати наші гени для лікування спадкових захворювань, покращення лікування раку чи навіть подовжити термін служби. Тепер доктор Фен Чжан, один із піонерів CRISPR, повернувся з ще одним твором, який міг би розв’язати нове покоління генної терапії та РНК-вакцини. Тільки цього разу його команда зазирнула глибоко всередину нашого тіла.

Якими б потужними вони не були, ДНК- і РНК-терапевтичні засоби повинні проникнути в наші клітини автостопом, щоб працювати. Вчені зазвичай використовують вірусні вектори — засоби доставки, виготовлені з безпечних вірусів — або ліпідні наночастинки, маленькі шматочки захисного жиру, щоб інкапсулювати новий генетичний матеріал і тунелювати в клітини.

Проблема? Наш організм не є великим прихильником чужорідних речовин, особливо тих, які викликають небажану імунну відповідь. Більше того, ці системи доставки погано підходять для біологічних поштових індексів, часто охоплюючи все тіло замість того, щоб зосередитися на зоні лікування. Ці «проблеми з пологами» є половиною успіху для ефективної генетичної медицини з невеликими побічними ефектами.

«Біомедична спільнота розробляє потужні молекулярні терапевтичні засоби, але доставити їх до клітин точним і ефективним способом є складним завданням», сказав Чжана в Інституті Броуда, Інституті Макговерна та Массачусетському технологічному інституті.

Введіть НАДІСЛАТИ. Нова платформа доставки, описано в наука, вражає своєю простою винахідливістю. Замість того, щоб покладатися на іноземних перевізників, НАДІСЛАТИ (sфакультативний eндогенний еnкапсидація для стільникових delivery) використовує людські білки для створення засобів доставки, які перевозять нові генетичні елементи. У серії тестів команда вставила вантаж РНК і компоненти CRISPR в культивовані клітини в чашці. Клітини, діючи як пакувальні фабрики, використовували людські білки для інкапсуляції генетичного матеріалу, утворюючи крихітні судини, схожі на повітряні кульки, які можна зібрати для лікування.

Що ще дивніше, джерело цих білків покладається на вірусні гени, одомашнені багато років тому нашим власним геномом у процесі еволюції. Оскільки ці білки по суті є людськими, вони навряд чи запустять нашу імунну систему.

Хоча автори спробували лише одну систему упаковки, набагато більше приховано в наших геномах. «Ось що так захоплююче», — сказав автор дослідження д-р Майкл Сігел, додавши, що система, яку вони використали, не є унікальною; «Існують, ймовірно, інші системи перенесення РНК в організмі людини, які також можна використовувати для терапевтичних цілей».

Інфраструктура доставки тіла

Наші клітини — це величезні балакуни. І вони мають кілька телефонних ліній.

Електрика є популярним. Це частково те, що синхронізує нейрони, підключені до мереж, і клітини серця. Гормони — це ще одна речовина, яка зв’язує клітини з половини тіла через хімічні речовини в крові.

Але найдивніше – давнє перемир’я між людиною та вірусом. Досліджуючи геном людини сьогодні, стає зрозуміло, що у нас є вірусна ДНК та інші генетичні елементи, вбудовані в наші власні подвійні спіралі. Більшість цих вірусних добавок втратили свої початкові функції. Деякі, однак, були завербовані, щоб будувати наші тіла та розум.

Візьмемо Arc, білок, виготовлений з гена, інакше відомого як кляп— основний вірусний ген, який часто зустрічається в наших геномах. Дуга - це a пам'ять Гросмейстер: як ми дізналися, білок утворює крихітні капсули, які передають біологічний матеріал, який, у свою чергу, допомагає закріпити нові спогади в репертуарі нашої нейронної мережі. Інший протеїн, схожий на кляп, який отримав назву PEG10, може захоплюватися РНК, а також утворювати пухирчасті космічні кораблі, щоб сприяти розвитку плаценти та сприяти розмноженню.

Якщо PEG10 виготовляє картонну упаковку для генетичного матеріалу, то поштова марка походить від іншого сімейства вірусних генів, фузогенів. Ген створює своєрідний поштовий індекс, що дозволяє кожному космічному кораблю, який перевозить вантаж, пристиковуватися до цільових клітин.

Незважаючи на те, що спочатку вони були вірусними за своєю природою, ці гени іммігрували в наші геноми та адаптувалися до надзвичайно специфічної транспортної системи, яка дозволяє клітинам обмінюватися інформацією. По суті, це кулька морозива (або моті або пельменів), куди можна вставити будь-яку начинку. Оскільки наші клітини вже спілкуються за допомогою цих біологічних кульок, наповнених генетичними даними, чому б нам не перехопити процес, щоб додати власні генетичні компоненти?

ВІДПРАВИТИ

Нова система доставки спирається на три компоненти: ген упаковки, вхідний код і вантаж.

Як і у випадку з квестом, кожна з них необхідна для того, щоб генетичне повідомлення вийшло з клітини. Першим кроком є ​​пошук гена упаковки в організмі людини, який може утворювати міхур навколо свого вантажу. За допомогою обчислювального дослідження команда просканувала геноми людини та миші кляпгени, подібні до тих, які утворюють захисні капсули, які допомагають створювати наші спогади. 48 кандидатів з'явилися спочатку як вантажні перевізники. Згодом команда звузила коло пошуку до білка під назвою MmPEG10.

За словами авторів, він вірусного походження, хоча він нешкідливий для нашого організму. Особлива сила PEG10 полягає в його теплих обіймах. Він може захоплювати РНК всередині клітини, формувати навколо неї міхур і виділяти міхур, як мініатюрні космічні кораблі з клітинного материнського корабля. Дивно, але ці космічні кораблі досить ретельно підходять до вибору вантажу. За допомогою аналізу CRISPR команда зрозуміла, що бульбашки зв’язуються та транспортують лише певну групу РНК як вантаж.

Наступним кроком було зламати та перепрограмувати перевагу вантажу PEG10. За допомогою генетичного аналізу команда знайшла розділ PEG10, який дозволяє капсулі розпізнавати та упаковувати свій вантаж. Що стосується вантажу, команда експериментувала з додаванням двох генетичних «квитків» або послідовностей, які дозволяли їм увійти на корабель PEG10. Це приблизно схоже на те, як пасажир впізнає свого водія Lyft, зіставивши колір на приладовій панелі автомобіля зі своїм додатком.

Коли вони зустрічаються, «водій» PEG10 утворює білки, які обертаються навколо генетичного вершника, утворюючи краплю, яка становить молекулярний транспортний засіб, з метою вийти з клітини.

Але як щодо маршрутів? Тут з’являється вхідний код, або фузогени. Подібно до кодів повернення Amazon, фузогени – це білки, які розташовані зовні таксі PEG10, спрямовуючи їх усередину різних типів клітин і тканин. Натискаючи на різні фузогени, команда може вказати, куди йде генетичний вантаж, ніби позначений поштовим індексом.

Збираємо всі разом

SEND — це три компоненти, кожен з яких кодується за допомогою вектора — невеликого круглого фрагмента ДНК, який може тунелюватися в клітини.

Опинившись у клітині, відбувається чарівництво. Кожен вектор підключається до клітинної фабрики з виробництва білка. PEG10 керує фабрикою виготовленням упаковки. Фьюзоген украшає упаковку накладними. А вантажна РНК із змінами для кращого позначення на SEND акуратно упаковується в отриманий транспортний засіб, який дрейфує до місця призначення.

"Змішуючи та узгоджуючи різні компоненти в системі SEND, ми вважаємо, що це забезпечить модульну платформу для розробки терапії для різних захворювань", - сказав Чжан.

Як доказ концепції команда використовувала SEND для доставки системи CRISPR, яка вирізає ген, що викликає рак, у клітинах чашки, спочатку отриманої від раку мозку. Система ефективно вирізала приблизно 60 відсотків гена в клітинах-реципієнтах. Але це сталося лише тоді, коли SEND відправив компоненти CRISPR у клітину, показавши, що SEND доставляє лише генетичний матеріал, спеціально створений для транспортування.

Надалі команда тестує SEND на моделях тварин і розробляє інструментарій для націлювання на різні тканини та клітини. Вони також продовжуватимуть шукати в геномі людини давні генетичні компоненти, які могли б додати до платформи SEND.

«Ми раді продовжувати просувати цей підхід, — сказав Чжан, — [Це] справді потужна концепція».

Автор зображення: після складання всередині клітини пакети SEND випускаються для збору для генної терапії. Фото надано Інститутом Макговерна.

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