Επιστήμονες ανέπτυξαν ένα νέο σύστημα επεξεργασίας γονιδιώματος που μπορεί να ενσωματώνει ολόκληρα γονίδια στο ανθρώπινο DNA. Αυτή η καινοτομία θα μπορούσε στο μέλλον να οδηγήσει σε πιο αποτελεσματικές θεραπείες για γενετικές ασθένειες που προκαλούνται από ποικίλες μεταλλάξεις.
Μέχρι στιγμής, η προσέγγιση έχει δοκιμαστεί μόνο σε ανθρώπινα κύτταρα στο εργαστήριο. Αν αποδειχθεί ασφαλής και αποτελεσματική για χρήση σε ασθενείς, θα μπορούσε να αποτελέσει εναλλακτική λύση έναντι εργαλείων που στοχεύουν μόνο σε συγκεκριμένα «τυπογραφικά λάθη» στο DNA. Αντί να διορθώνει μία μόνο μετάλλαξη, η νέα τεχνική εισάγει ένα λειτουργικό αντίγραφο του γονιδίου στα κύτταρα του ατόμου.
DNA: Γενετική ποικιλομορφία και πρόκληση της στόχευσης
«Μια γενετική ασθένεια μπορεί να προκληθεί από πολλές διαφορετικές μεταλλάξεις στο ίδιο γονίδιο», δήλωσε ο Isaac Witte, υποψήφιος διδάκτορας στο Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ και συν-επικεφαλής της νέας έρευνας.
Για παράδειγμα, η κυστική ίνωση μπορεί να πυροδοτηθεί από περισσότερες από 2.000 διαφορετικές μεταλλάξεις σε ένα συγκεκριμένο γονίδιο.
«Η αντιμετώπισή της με επεξεργασία γονιδιώματος συχνά απαιτεί πολλές, προσαρμοσμένες λύσεις για κάθε μετάλλαξη. Αυτό είναι επίπονο και ρυθμιστικά απαιτητικό», είπε ο Witte στο Live Science.
Μια εναλλακτική στρατηγική είναι η εισαγωγή ενός νέου γονιδίου που θα αντικαθιστά το προβληματικό. Ο επεξεργαστής γονιδίων, που περιγράφεται σε έκθεση που δημοσιεύθηκε την Πέμπτη 15 Μαΐου στο περιοδικό Science, καθιστά δυνατούς αυτούς τους τύπους τροποποιήσεων και μπορεί να εισάγει το νέο γονίδιο απευθείας «ανάντη» από το ελαττωματικό σημείο στο ανθρώπινο DNA. Αν και απαιτείται ακόμη εργασία για να φτάσει αυτό το εργαλείο στην ιατρική πρακτική, «είμαστε πολύ ενθουσιασμένοι», δήλωσε ο Witte.
Καθοδηγώντας την εξέλιξη στο εργαστήριο
Τα κλασικά συστήματα CRISPR ονομάζονται συχνά «μοριακά ψαλίδια» επειδή χρησιμοποιούν πρωτεΐνες για να κόψουν το DNA. Αυτά τα συστήματα απαντώνται φυσικά στα βακτήρια, τα οποία χρησιμοποιούν το CRISPR για να αμυνθούν ενάντια σε ιούς.
Ο πυρήνας του νέου εργαλείου επεξεργασίας βασίζεται επίσης σε βακτηριακό μηχανισμό, αλλά δεν κόβει το DNA. Αντιθέτως, μετακινεί μεγάλες ενότητες του DNA από μία θέση σε άλλη με υψηλή ακρίβεια. Τα συστήματα αυτά – γνωστά ως CRISPR-associated transposases (CASTs) – είναι γνωστά από το 2017 και επιτρέπουν στα «άτακτα γονίδια» να «πηδούν» μέσα στο ίδιο ή και σε άλλα γονιδιώματα.
Τα CASTs είναι ελκυστικά για επεξεργασία γονιδίων επειδή, σε αντίθεση με τα ψαλίδια, δεν κόβουν το DNA και δεν βασίζονται στους μηχανισμούς επιδιόρθωσης των κυττάρων, οι οποίοι μπορεί να προκαλέσουν ανεπιθύμητες μεταλλάξεις. Ωστόσο, τα φυσικά CASTs από βακτήρια δεν λειτουργούν καλά στα ανθρώπινα κύτταρα.
Σε προηγούμενες μελέτες υπό την καθοδήγηση του Samuel Sternberg, αναπληρωτή καθηγητή βιοχημείας στο Πανεπιστήμιο Columbia και συν-συγγραφέα της νέας μελέτης, οι ερευνητές προσπάθησαν να χρησιμοποιήσουν φυσικά CASTs για επεξεργασία DNA σε ανθρώπινα κύτταρα, αλλά αυτά πέτυχαν ενσωμάτωση DNA σε λιγότερο από το 0,1% των κυττάρων.
Η εξέλιξη του evoCAST
Ο Witte, ο Sternberg και οι συνεργάτες τους ξεκίνησαν με ένα CAST από το βακτήριο Pseudoalteromonas, το οποίο είχε δείξει ελάχιστη δραστηριότητα σε ανθρώπινα κύτταρα. Στη συνέχεια, χρησιμοποίησαν μια πειραματική μέθοδο που ονομάζεται PACE για να επιταχύνουν την εξέλιξή του, εισάγοντας διαδοχικά μεταλλάξεις.
Μέσα από αυτή τη διαδικασία, δημιούργησαν ένα νέο CAST, που ονόμασαν evoCAST, το οποίο ενσωματώνει DNA σε ανθρώπινα κύτταρα με 200 φορές μεγαλύτερη αποδοτικότητα.
«Χρειάστηκαν πάνω από 200 ώρες σε PACE, κάτι που αντιστοιχεί σε εκατοντάδες γενιές εξέλιξης», εξήγησε ο Witte. Η ίδια διαδικασία θα είχε διαρκέσει χρόνια με παραδοσιακές μεθόδους στο εργαστήριο.
Επόμενα βήματα και θεραπευτικές εφαρμογές
Το evoCAST περιλαμβάνει 10 βασικές μεταλλάξεις που απαιτούνται για την αποτελεσματική λειτουργία του σε ανθρώπινα κύτταρα, δήλωσε ο Witte. Ωστόσο, λειτουργεί καλύτερα σε ορισμένα κύτταρα από ό,τι σε άλλα και απαιτείται περαιτέρω έρευνα για να κατανοηθεί ο λόγος.
Η ομάδα αξιολόγησε την αποτελεσματικότητα του evoCAST σε περιοχές του γονιδιώματος που σχετίζονται με ασθένειες όπως αναιμία Fanconi, σύνδρομο Rett και φαινυλκετονουρία. Διαπίστωσαν ότι το εργαλείο λειτούργησε σε περίπου 12% έως 15% των επεξεργασμένων κυττάρων. Αν και η απόλυτη αποδοτικότητα δεν είναι απαραίτητη για θεραπεία, η ακριβής απαιτούμενη απόδοση εξαρτάται από την πάθηση και απαιτεί μελέτη.
Επιπλέον, το εργαλείο δοκιμάστηκε για επεξεργασία ανοσοκυττάρων που χρησιμοποιούνται στην CAR-T θεραπεία κατά του καρκίνου και βρέθηκε παρόμοια αποδοτικό, γεγονός που υποδηλώνει ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί και στην παραγωγή κυτταρικών θεραπειών στο εργαστήριο.
Χρηματοδότηση και προκλήσεις
Η μελλοντική έρευνα πρέπει να επικεντρωθεί στην αποτελεσματική μεταφορά του evoCAST στα σωστά κύτταρα του σώματος. «Υπάρχουν πολλά πεδία για περαιτέρω μελέτες», δήλωσε ο Witte.
Ωστόσο, αυτές οι μελέτες απαιτούν χρηματοδότηση. «Είναι μια δύσκολη εποχή», παραδέχτηκε. Η νέα μελέτη στο Science υποστηρίχθηκε εν μέρει από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας (NIH), όμως η χρηματοδότησή τους έχει μειωθεί σημαντικά, με περικοπές που στοχεύουν συγκεκριμένα σε πανεπιστήμια της Ivy League, όπως το Harvard. «Είναι κάτι με το οποίο ασχολούμαστε ενεργά», κατέληξε ο Witte.
