Forscher der Universität Toronto, des University Health Network und des SickKids-Krankenhauses haben einen vielversprechenden neuen Ansatz entwickelt, der eines Tages zur Behandlung von Tausenden genetischer Erkrankungen beitragen könnte. Da Nonsense-Mutationen auch in Genen auftreten können, die an Muskelerkrankungen beteiligt sind, könnte diese neue tRNA-Technologie in Zukunft möglicherweise für Erkrankungen wie die Duchenne-Muskeldystrophie (DMD) relevant werden, obwohl sie noch nicht als Behandlung für DMD getestet wurde.
Die Forschung konzentriert sich auf Transfer-RNA (tRNA), ein Molekül, das an dem Prozess beteiligt ist, den Zellen zur Herstellung von Proteinen nutzen. Durch die Entwicklung von tRNA wollen Wissenschaftler eine der schwierigsten Arten von genetischen Mutationen überwinden: Nonsense-Mutationen.
Die am 27. August in Science veröffentlichte Studie zeigt anhand von Labor- und präklinischen Modellen, dass gentechnisch veränderte tRNA die Produktion von vollständigen, funktionsfähigen Proteinen wiederherstellen kann, die von Nonsense-Mutationen betroffen sind.
Inhaltsverzeichnis
Was sind Nonsense-Mutationen?
Gene enthalten die Anweisungen, die Zellen zur Herstellung von Proteinen nutzen. Diese Anweisungen werden in Drei-Buchstaben-Einheiten, sogenannten Codons, gelesen. Die meisten Codons geben der Zelle vor, welche Aminosäure sie in ein wachsendes Protein einbauen soll, während drei Codons als Stoppsignale fungieren.
Eine Nonsense-Mutation entsteht, wenn eine genetische Veränderung zu früh ein Stoppsignal erzeugt.
Das ist, als würde man mitten auf der Straße ein Stoppschild aufstellen. Die Zelle stellt die Proteinproduktion ein, bevor das Protein fertiggestellt ist. Die Folge: Das Protein kann verkürzt und funktionslos sein, oder es wird nur sehr wenig vollständiges Protein produziert.
Obwohl Nonsense-Mutationen schätzungsweise nur 11 Prozent der erblichen genetischen Störungen ausmachen, betreffen sie Tausende von Patienten bei einer Vielzahl von Krankheiten, darunter einige Formen der Mukoviszidose sowie Muskel- und neurologische Erkrankungen.
Warum ist die tRNA-Forschung für genetische Erkrankungen wichtig?
Eine der größten Herausforderungen in der Genmedizin ist die enorme Anzahl krankheitsverursachender Mutationen. Für jede einzelne Mutation eine individuelle Behandlung zu entwickeln, kann äußerst schwierig sein, insbesondere wenn eine Mutation nur wenige Patienten betrifft.
Hier könnte die tRNA-Forschung für Nonsense-Mutationen eine andere Strategie bieten.
Wichtig ist, dass Nonsense-Mutationen zwar in vielen verschiedenen Genen auftreten können, aber nur zu drei möglichen vorzeitigen Stoppcodons führen. Dies eröffnet die Möglichkeit, einen Therapieansatz zu entwickeln, der auf die Art der Mutation abzielt, anstatt auf ein bestimmtes Gen.
Die Forscher stellen sich daher eine mögliche “Universell-Strategie” vor, bei der eine einzige gentechnisch veränderte tRNA potenziell dasselbe vorzeitige Stoppsignal bei mehreren Genen und Krankheiten adressieren könnte.
Wie funktioniert gentechnisch veränderte tRNA?
Die Forscher entwickelten tRNA-Moleküle, die ein vorzeitiges Stoppsignal erkennen und stattdessen die entsprechende Aminosäure einfügen können.
Dadurch kann die Zelle die genetischen Anweisungen weiter ablesen und möglicherweise ein vollständiges Protein produzieren.
Das resultierende Protein ist möglicherweise nicht immer vollständig identisch mit dem natürlichen Protein. Wenn jedoch genügend funktionelle Aktivität wiederhergestellt wird, kann dies deutlich besser sein, als wenig oder gar kein funktionelles Protein zu produzieren.
Vereinfacht ausgedrückt versuchen die Forscher, anstatt die DNA selbst zu verändern, das vorzeitige Stoppsignal während der Proteinproduktion zu umgehen.
tRNA stärken und effektiver machen
Die Entwicklung von tRNA zu einem praktischen Medikament war nicht einfach. Eine wichtige Herausforderung besteht darin, die gentechnisch veränderte tRNA so aktiv und stabil zu machen, dass sie relevante Mengen an Protein produziert.
Das Forschungsteam stellte fest, dass die Hinzufügung einer spezifischen chemischen Modifikation, die natürlicherweise in tRNA vorkommt, das künstlich hergestellte Molekül aktiver und langlebiger machte.
Dies war ein wichtiger Schritt, da eine therapeutische tRNA lange genug funktionsfähig bleiben muss, um eine sinnvolle biologische Wirkung zu erzielen.
tRNA zu den richtigen Zellen transportieren
Eine weitere große Herausforderung ist die Zustellung.
Selbst eine hochwirksame tRNA kann als Medikament nicht funktionieren, wenn sie die Zellen, die sie benötigen, nicht erreichen kann. Daher entwickelten die Forscher spezielle Lipid-Nanopartikel (LNPs) für den Transport von tRNA.
Obwohl Lipidnanopartikel bereits zuvor für den Transport von mRNA eingesetzt wurden, haben die Forscher sie speziell für tRNA neu entwickelt. Sie untersuchten rund 1000 verschiedene Lipide, um ein geeignetes Transportsystem zu finden.
Diese Kombination aus gentechnisch veränderter tRNA und spezieller Verabreichungstechnologie ist einer der wichtigsten Fortschritte der Studie.
tRNA stellt die Proteinproduktion in Mukoviszidose-Modellen wieder her
Die Forscher testeten den Ansatz zunächst an Mukoviszidose-Modellen mit Nonsense-Mutationen im CFTR-Gen.
Die bestehenden CFTR-Modulator-Therapien, darunter Trikafta, haben die Behandlung vieler Menschen mit Mukoviszidose revolutioniert. Diese Medikamente sind jedoch bei Patienten, deren Erkrankung auf bestimmten Nonsense-Mutationen beruht, nicht wirksam, da das notwendige vollständige CFTR-Protein möglicherweise nie produziert wird.
In menschlichen Atemwegszellen mit zwei häufigen Nonsense-Mutationen konnte durch gentechnisch veränderte tRNA die Produktion des CFTR-Proteins wiederhergestellt werden, und das Protein war funktionsfähig. Das wiederhergestellte Protein blieb zudem über 40 Tage nachweisbar.
Potenzial für eine Kombinationstherapie
Die Forscher testeten außerdem Zellen eines Mukoviszidose-Patienten mit einem komplexen CFTR-Genotyp, der vier Mutationen, darunter zwei Nonsense-Mutationen, aufwies.
In diesen patienteneigenen Organoiden riefen weder tRNA noch Trikafta allein eine starke Reaktion hervor. Die Kombination beider Substanzen stellte jedoch die Produktion des vollständigen CFTR-Proteins wieder her und ermöglichte es Trikafta, auf das neu produzierte Protein einzuwirken.
Dies lässt vermuten, dass tRNA-Therapien eher mit bestehenden Behandlungen kombiniert als diese zu ersetzen.
Könnte die tRNA-Forschung auch andere genetische Erkrankungen behandeln?
Das wichtigste Potenzial dieser Forschung reicht über die Mukoviszidose hinaus.
Da dieselben drei vorzeitigen Stoppcodons in vielen verschiedenen Genen vorkommen können, könnte eine gentechnisch veränderte tRNA, die eines dieser Signale erkennt, potenziell für mehrere genetische Erkrankungen angepasst werden.
Forscher untersuchen nun, wie die Plattform auf andere Organe und Gewebe angewendet werden könnte. Jedes Zielgewebe benötigt möglicherweise ein eigenes, spezialisiertes Verabreichungssystem.
Für Lungenerkrankungen hat das Team bereits gezeigt, dass seine Lipid-Nanopartikel die Umwandlung in einen feinen Nebel überstehen können, was die Möglichkeit zukünftiger inhalativer tRNA-Behandlungen eröffnet.
Ein vielversprechender, aber noch im Frühstadium befindlicher Ansatz
Die tRNA-Forschung zu Nonsense-Mutationen befindet sich noch im präklinischen Stadium, und es sind noch viele weitere Forschungen erforderlich, bevor diese Technologie zu einer zugelassenen Behandlung für Patienten werden kann.
Dennoch ist das Konzept bedeutsam. Anstatt für jede krankheitsverursachende Mutation eine völlig andere Therapie zu entwickeln, untersuchen Forscher, ob eine gemeinsame tRNA-basierte Plattform den zugrunde liegenden Mutationstyp über mehrere Gene hinweg gezielt angehen könnte.
Bei Erfolg könnten tRNA-Therapeutika letztendlich zu einer neuen Plattform für die Behandlung genetischer Störungen werden, die durch Nonsense-Mutationen verursacht werden, einschließlich Krankheiten, für die es derzeit nur wenige oder gar keine wirksamen Behandlungsmöglichkeiten gibt.
Mehr erfahren: Entdecken Sie klinische Studien zu Duchenne.
