18.12.2017
PL EN
15.11.2017 aktualizacja 15.11.2017

Genetyczne programowanie

Fot. Fotolia Fot. Fotolia

Dwie nowe techniki pozwalają na manipulowania aparatem genetycznym z niespotykaną dotąd precyzją. To droga do leczenia genetycznych chorób – twierdzą naukowcy.

Zespół z Broad Institute utworzonego przez Harvard University i Massachusetts Institute of Technology na łamach „Nature” doniósł o ogromnym kroku w kierunku precyzyjnego edytowania materiału genetycznego komórek, a więc potencjalnie także w kierunku nowych, przełomowych terapii. Badacze znaleźli sposób na zamianę jednej z liter genetycznego alfabetu na inną, w dokładnie wybranym miejscu genomu.

Trudno przecenić wartość takiego narzędzia, chociażby z tego powodu, że tysiące takich punktowych mutacji, w których jedna „litera” przypadkowo zamieniana jest na inną, prowadzi do różnorodnych chorób.

Zanim zagłębimy się w działanie nowej techniki przypomnijmy sobie, że DNA składa się z dwóch splecionych ze sobą spiral, które łączą się z pomocą czterech elementów, tzw. zasad azotowych – adeniny (A), tyminy (T), cytozyny (C) oraz guaniny (G). Przy tym A łączy się z T, z kolei C z G. Informacja genetyczna zapisana jest właśnie w kolejności tych cegiełek.

Oczywiście metody edycji genów istniały już wcześniej, jednak nie dawały takich możliwości jak nowa technika. Na przykład przełomowa metoda CRISPR/Cas9 przecina obie helisy i wykorzystuje komórkową, naturalną maszynerię do wypełnienia luki wybraną sekwencją genetyczną. Nowe narzędzie natomiast na jednej spirali DNA chemicznie zmienia jedną zasadę w inną i usuwa zasadę, która jest z nią połączona na drugiej spirali. W jej miejsce komórka dodaje potem nową, pasującą „literkę”. W ten sposób zmienia się całą parę zasad na obu spiralach.

„CRISPR jest jak nożyczki, a edytory zasad jak ołówek” - mówi jeden z głównych autorów nowej metody prof. David Liu.

Autorzy doniesienia wcześniej opracowali już metodę zamiany pary CG na TA, a teraz nauczyli się odwrotnej operacji, co daje komplet narzędzi do wybiórczej wymiany genetycznych liter.

Aby to osiągnąć musieli stworzyć nowy enzym. W tym celu wykorzystali m.in. ewolucję i inny, naturalny enzym, który zamienia adeninę (A) na cząsteczkę zwaną inozyną. Co jest kluczowe - komórka traktuje inozynę tak jak guaninę (G). Wykorzystany naturalny enzym nie zmienia jednak DNA, tylko RNA – cząsteczkę, która przenosi informację z genów do komórki. Badacze zmienili więc posiadające ten enzym bakterie tak, że mogły stać się odporne na antybiotyk, jeśli ów enzym zacznie zmieniać DNA tak samo, jak zmieniał RNA. Takie bakterie pojawiły się po pewnej liczbie pokoleń hodowanych na pożywce z antybiotykiem.

Nowy enzym produkowany przez bakterie musiał zostać jeszcze ulepszony i wzbogacony. Badacze m.in. dodali do niego element, który wyszukuje wybrane miejsce w łańcuchu DNA, a także kolejny enzym, który wycina zasadę na drugiej spirali.

Operacja zakończyła się sukcesem. Nowe narzędzie wydajnie działa nie tylko u bakterii, ale także w komórkach ludzkich. W komórkach pobranych od pacjentów, naukowcy zdołali już naprawić mutacje prowadzące do hemochromatozy, która objawia się nadmiernym gromadzeniem żelaza w organizmie oraz anemii sierpowatej. „Ciężko pracujemy, próbując zastosować technologię edycji zasad w terapiach dla ludzi” - mówi prof. Liu.

Jednak sama metoda to nie wszystko, trzeba zadbać np. o jej bezpieczeństwo czy sposób dostarczania opracowanych cząsteczek do komórek. „Posiadanie maszynerii, która pozwala na wprowadzanie zmian to dopiero początek. Potrzebne jest jeszcze wiele dodatkowej pracy, ale dysponowanie taką maszynerią naprawdę pomaga” - wyjaśnia naukowiec.

W przypadku zmian w DNA, kwestia bezpieczeństwa ma szczególne znaczenie, ponieważ zmodyfikowany gen już taki w komórce pozostanie. Możliwe jest jednak inne podejście – modyfikacja RNA, która niesie do komórki informacje o genach. Komórka na bieżąco produkuje i rozkłada RNA w miarę potrzeb, zatem wprowadzona zmiana działa tylko przez pewien czas.

O metodzie, która pozwala na taką właśnie ingerencję, na kartach „Science” doniosła inna grupa z Broad Institute. Naukowcy nazwali swój system „RNA Editing for Programmable A to I Replacement”, w skrócie “REPAIR”. On także w inozynę zmienia zmienia adeninę (A), lecz tę obecną w RNA.

„Dotąd nieźle udawało nam się dezaktywować geny, ale odzyskiwanie utraconych funkcji białek to dużo większe wyzwanie. Ta nowa umiejętność edycji RNA przynosi nowe możliwości odzyskiwania tych funkcji niemalże w każdej komórce i leczenia różnych chorób” - opowiada prof. Feng Zhang z Broad Institute. Badacze podają przykłady takich schorzeń jak niektóre przypadki epilepsji, dystrofia mięśniowa Duchenne’a, czy choroba Parkinsona.

Autorzy metody także wykorzystali enzym obecny w naturze, a dokładniej w bakteriach z rodzaju Prevotella. Łączy się on z odcinkiem RNA, który można wybrać. Badacze połączyli go więc z białkiem, które zamienia adeninę (A) na inozynę.

Aby zademonstrować potencjał terapeutyczny nowej metody, naukowcy w hodowanych komórkach spowodowali mutacje, które prowadzą do niedokrwistości Fanconiego i nefropochodnej moczówki prostej. „Terapia” skutecznie przywróciła komórkom prawidłowe działanie. Badacze pracują już m.in. nad sposobem dostarczania enzymu do wybranych tkanek, aby rozpocząć badania na zwierzętach, a także nad narzędziami do zamiany innych zasad w RNA.

Marek Matacz

źródła:

http://www.hhmi.org/news/new-enzyme-rewrites-genome 

https://www.nature.com/articles/nature24644

http://news.mit.edu/2017/researchers-engineer-crispr-edit-single-rna-letters-human-cells-1015

http://science.sciencemag.org/content/early/2017/10/24/science.aaq0180

Partnerzy

Copyright © Fundacja PAP 2017