Однако есть по крайней мере одна загвоздка – доставка белков, редактирующих геном, в клетки, где они должны быть для доступа к геному, является серьезной проблемой, особенно для живых животных или пациентов-людей.
Обычно исследователи доставляли ДНК, кодирующую эти белки, редактирующие геном, в клетки, а затем полагались на клетки для производства соответствующих белков, редактирующих геном. Но многие стратегии доставки ДНК нельзя использовать у животных или людей.
Другие стратегии доставки ДНК, такие как заражение вирусами, которые вводят ДНК в клетки, могут создавать усложняющие долгосрочные проблемы безопасности, особенно когда речь идет о редактировании генома человека.
Новое исследование показало, что более многообещающим может быть прямая доставка белков, редактирующих геном, в клетки, а не доставка соответствующих генов, кодирующих эти белки. А класс молекул, которые могут открыть дверь для белков, редактирующих геном, как оказалось, вероятно, уже есть на полках многих биологов.
Под руководством профессора химии и химической биологии Дэвида Лю и членов его группы докторов.
Джон Зурис и Дэвид Томпсон, группа исследователей из Гарварда, разработали систему, в которой используются коммерчески доступные молекулы, называемые катионными липидами – по сути, длинные жирные молекулы, несущие положительный заряд на одном конце, – для эффективного введения в клетки белков, редактирующих геном. и даже продемонстрировали, что эту технологию можно использовать для модификации генов у живых животных. Исследование описано в статье от 30 октября в Nature Biotechnology.
«Современные лекарства, которые лечат генетические заболевания, не могут устранить первопричину болезни», – пояснил Лю. «В отличие, например, от инфекционных заболеваний, которые мы лечим, убивая возбудителя болезни, в случае заболеваний, вызванных мутациями в наших собственных генах, нужно проникнуть в клетки и провести операцию на наших геномах, чтобы исправить корень. причина.
Благодаря недавним открытиям ученых со всего мира, теперь у нас есть белки, редактирующие геном, которые могут выполнять операции. Но проблема в том, что эти белки, как практически все белки, не попадают в клетки спонтанно.
«В этом исследовании мы описываем метод очень эффективной доставки белков, редактирующих геном, в клетки», – добавил Лю. «И мы наблюдали эффективную модификацию генома с помощью этого метода не только в культивируемых клетках, но и у живых животных."
Хотя он предупредил, что ни одна система, включая эту, не будет универсальным решением для доставки, Лю считает, что доставка белков, редактирующих геном, в клетки может дать надежду пациентам, страдающим от множества состояний, включая определенные заболевания. глаз, ухо, печень, мышцы и кровь.
Одно из состояний, которое уже находится под прицелом исследователей, – это глухота.
Работая с Чжэн-И Чен, доцентом отологии и ларингологии Гарвардской медицинской школы и исследователем из Массачусетской глазной и ушной больницы, Лю и его коллеги использовали недавно разработанную систему для модификации генов в специализированных «волосковых клетках» во внутреннем ухе. мышей. Повреждение волосковых клеток, вызванное экологическими или генетическими факторами, является частой причиной потери слуха.
По словам Лю, распространенной стратегией введения белков в клетки является использование положительно заряженных белков. Поскольку внешняя часть клеток млекопитающих украшена отрицательно заряженными молекулами, положительно заряженные белки прилипают к ним, заставляя их поглощаться клетками в отсеках, называемых эндосомами. Лю и его ученики ранее разработали одну такую стратегию, которая использует положительно «заряженные» белки в качестве средств доставки.
«Ключевая трудность, которая была известна на протяжении десятилетий, заключается в том, что извлечь груз из эндосом очень сложно», – сказал Лю. "Эффективность, с которой белок самопроизвольно покидает эндосому, очень низка – может быть, всего один на миллион при нормальных обстоятельствах."
Чтобы разработать систему, которая позволила бы более эффективно доставлять белки в клетки, Лю и его коллеги использовали противоположный подход, который включал имитацию того, как ученые доставляют нуклеиновые кислоты, такие как ДНК и РНК, в клетки.
Эта система основана на положительно заряженных молекулах, называемых катионными липидами, которые связываются с отрицательно заряженными нуклеиновыми кислотами с образованием структур, называемых липосомами.
После образования липосомы могут доставлять свое содержимое в клетку как минимум двумя способами. В некоторых случаях, объяснил Лю, липосома может сливаться с клеточной мембраной, высвобождая свой груз. В качестве альтернативы липосома может быть принята как эндосома, а затем высвобождена ее содержимое, если липосомная и эндосомная мембраны сливаются.
«У нас возникла очень простая идея использовать те же коммерчески доступные катионные липиды, которые исследователи используют для доставки ДНК и РНК для доставки белков. Но вместо использования сверхположительно заряженных белков мы используем сверхотрицательно заряженные белки, которые напоминают нуклеиновые кислоты в их сильно отрицательно заряженном состоянии."Лю сказал. «Эффективность доставки белков, которые связаны с сильно отрицательно заряженными молекулами, с использованием катионных липидов, примерно в 1000 раз выше, чем доставка белков с использованием положительно заряженных белков или пептидов."
Важно отметить, что эксперименты команды показали, что новая система, когда она применяется для доставки белков, редактирующих геном, приводит к модификации целевого гена, которая, по крайней мере, столь же эффективна, как и лучшие результаты, которые они наблюдали при доставке ДНК, кодирующей белки, редактирующие геном. Но Лю и его коллеги показали, что специфичность редактирования генома – насколько точно изменяются целевые гены по сравнению с модификацией других сайтов в геноме человека – была намного выше от доставки белка, а не от доставки ДНК.
Исследователи надеялись увидеть такой результат. «После доставки ДНК кодируемые белки могут экспрессироваться в трудно регулируемых количествах в течение длительных периодов времени», – сказал Лю. "Всегда было несоответствие между доставкой ДНК и желаемым результатом редактирования генома. При редактировании генома миссия состоит в том, чтобы исправить одну или две копии гена. После того, как белок, редактирующий геном, завершит эту миссию, вы хотите, чтобы он ушел, потому что единственное, что он может делать после этого момента, является нежелательным и, возможно, вредным.
"Таким образом, доставка белка, которая носит временный характер и недолговечность, кажется, лучше подходит, чем доставка ДНК, для большинства приложений для редактирования генома."
В конечном счете, Лю считает, что белки, редактирующие геном, могут служить следующим поколением методов лечения множества заболеваний, которые было трудно вылечить.
«Мы надеемся, что этот подход к доставке белков поможет соединить то место, где сейчас редактирование генома, с тем, где должно быть поле, чтобы реализовать терапевтический потенциал этих белков в борьбе с генетическими заболеваниями», – сказал Лю.