Inżynierowie biomedyczni z Duke University opracowali obiecujące nowe podejście, które może znaleźć zastosowanie w leczeniu rzadkich i złożonych chorób genetycznych, spowodowanych defektami w stosunkowo dużych obszarach genomu. Poprzez identyfikację i aktywację głównego przełącznika epigenetycznego przy użyciu technologii CRISPR, naukowcy wykazali możliwość włączenia wielu naturalnie wyciszonych genów odziedziczonych od jednego z rodziców w celu skompensowania defektów tych samych genów przekazanych przez drugiego rodzica.
Chorobą, której dotyczy badanie, jest zespół Pradera-Williego, powodujący szereg problemów fizycznych, psychicznych i behawioralnych, w tym przede wszystkim stałe uczucie głodu. Chociaż badanie było na razie ograniczone do hodowli komórek macierzystych i neuronów wyhodowanych z tych komórek w warunkach laboratoryjnych, naukowcy mają nadzieję, że w przyszłości znajdzie ono zastosowanie kliniczne.
Wyniki badań opublikowano 12 lutego w czasopiśmie „Cell Genomics”.
Charakterystyka zespołu Pradera-Williego
Wpływ zespołu Pradera-Williego na pacjentów jest wieloaspektowy, ponieważ wynika on z braku całego regionu chromosomu, zawierającego wiele różnych genów pełniących odmienne funkcje. Pacjenci odczuwają nieustanny głód, co prowadzi do nadmiernego spożywania pokarmów i otyłości. Choroba powoduje także zaburzenia wzrostu, opóźnienia w rozwoju fizycznym, upośledzenie funkcji poznawczych, problemy z mową, charakterystyczne cechy twarzy i wiele innych objawów.
Warto podkreślić, że geny te są nieobecne jedynie po stronie ojcowskiej. Osoby z zespołem Pradera-Williego posiadają odpowiednie geny od matki, ale są one naturalnie wyciszone przez mechanizm nazywany imprintingiem.
Nowatorskie podejście terapeutyczne
„Istnieje wiele regionów w genomie podlegających imprintingowi, gdzie jeden z zestawów genów od jednego z rodziców jest normalnie wyciszony” – mówi prof. Charles Gersbach, kierownik katedry inżynierii biomedycznej na Duke University. „Problemy pojawiają się, gdy mutacja powoduje utratę aktywnych genów od drugiego rodzica. Obecnie nie ma na to skutecznych terapii, ale te osoby mają już potrzebne geny. Musimy tylko nauczyć się je włączać”.
Laboratorium Gersbacha od ponad dekady rozwija metody wykorzystania CRISPR do modulowania aktywności epigenetycznej. Oryginalnie CRISPR został odkryty jako system obronny bakterii przeciwko wirusom, który precyzyjnie rozpoznaje sekwencje genetyczne. System ten zazwyczaj wykorzystuje białko Cas9, które tnie DNA wirusów, lecz można je pozbawić tej funkcji, tworząc narzędzie do modulacji genomu bez zmiany sekwencji DNA.
W ten sposób CRISPR może wiązać się z genami i blokować ich działanie lub chemicznie modyfikować białka opakowujące DNA, aktywując lub wyciszając ekspresję genów przez epigenom.
„Choć CRISPR jest najbardziej znany z edycji sekwencji DNA, nasze badania koncentrują się na regulacji epigenomu, co bardziej przypomina naturalne procesy biologiczne” – tłumaczy Gersbach. „Geny w organizmie są regulowane w różnych typach komórek i tkankach, zmieniając aktywność podczas starzenia, regeneracji czy reakcji na leki. To wszystko dzieje się bez zmiany sekwencji DNA”.
Przełomowe odkrycie
Zespół Gersbacha pod kierunkiem doktorantów Josha Blacka i Dahlii Rohm przeprowadził wieloletnie badania, częściowo finansowane przez Foundation for Prader Willi Research. Przeszukano tysiące miejsc w genomie pod kątem reakcji na zmiany epigenetyczne mogące wpłynąć na cały region chromosomalny.
Ostatecznie odkryto specyficzne sekwencje pełniące rolę głównego przełącznika całego wyciszonego obszaru genomu. Użyto dwóch podejść: jednej rekrutującej maszynerię aktywacyjną komórki, oraz drugiej, polegającej na demetylacji DNA, czyli usunięciu rejestrów epigenetycznego wyciszenia.
Ta druga metoda okazała się kluczowa, trwało aktywując geny matczyne w komórkach macierzystych, które następnie różnicowały się w neurony, zachowując ekspresję pożądanych genów.
„Najbardziej ekscytujący było odkrycie, że krótkotrwała ekspozycja na CRISPR wywołała trwały, stabilny efekt” – powiedziała Rohm. „Daje to nadzieję na stworzenie długoterminowej terapii nie tylko dla pacjentów z zespołem Pradera-Williego, ale i innych rzadkich chorób genetycznych o podobnym mechanizmie”.
Kolejne kroki
Przed zastosowaniem terapii u ludzi konieczne są dalsze badania, m.in. nad dostarczeniem systemu CRISPR do neuronów w dużych obszarach mózgu oraz potwierdzenie stabilności zmian w dojrzałych komórkach nerwowych. Gersbach i jego zespół już rozpoczęli badania na zwierzętach.
„Nasze podejście do manipulacji głównym przełącznikiem epigenetycznym jest prostszą opcją niż klasyczna terapia genowa, wymagająca wprowadzenia wielu genów i RNA” – podsumował Black.
