Исследователи из Университета Торонто, Университетской сети здравоохранения и детской больницы SickKids разработали многообещающий новый подход, который в конечном итоге может помочь в лечении тысяч генетических заболеваний. Поскольку нонсенс-мутации могут также возникать в генах, участвующих в развитии мышечных заболеваний, эта новая технология тРНК потенциально может стать актуальной в будущем для лечения таких заболеваний, как мышечная дистрофия Дюшенна (МДД), хотя она еще не была протестирована в качестве метода лечения МДД.
Исследование сосредоточено на транспортной РНК (тРНК), молекуле, участвующей в процессе, который клетки используют для производства белков. С помощью генной инженерии тРНК ученые стремятся преодолеть один из самых сложных типов генетических мутаций: нонсенс-мутации.
Исследование, опубликованное в журнале Science 27 августа, демонстрирует на лабораторных и доклинических моделях, что модифицированная тРНК может восстановить производство полноразмерных функциональных белков, затронутых нонсенс-мутациями.
Оглавление
Что такое нонсенс-мутации?
Гены содержат инструкции, которые клетки используют для производства белков. Эти инструкции считываются в виде трехбуквенных единиц, называемых кодонами. Большинство кодонов указывают клетке, какую аминокислоту добавить к растущему белку, в то время как три кодона действуют как сигналы, указывающие клетке остановиться.
Нонсенс-мутация возникает, когда генетическое изменение создает стоп-сигнал слишком рано.
Это похоже на установку знака «Стоп» посреди дороги. Клетка прекращает производство белка до того, как он будет полностью синтезирован. В результате белок может укоротиться и стать нефункциональным, или же может быть произведено очень мало полноразмерного белка.
Хотя на долю нонсенс-мутаций приходится примерно 11 процентов наследственных генетических заболеваний, они поражают тысячи пациентов с различными заболеваниями, включая некоторые формы муковисцидоза, а также мышечные и неврологические расстройства.
Почему исследования тРНК важны для изучения генетических заболеваний?
Одной из главных проблем генетической медицины является огромное количество мутаций, вызывающих заболевания. Создание отдельного метода лечения для каждой отдельной мутации может быть чрезвычайно сложным, особенно когда мутация затрагивает лишь небольшое число пациентов.
В этом контексте исследования тРНК для выявления нонсенс-мутаций могут предложить иную стратегию.
Важно отметить, что нонсенс-мутации могут возникать во многих разных генах, но приводят лишь к трем возможным преждевременным стоп-кодонам. Это открывает возможность разработки терапевтического подхода, направленного на тип мутации, а не на конкретный ген.
Таким образом, исследователи предполагают потенциальную стратегию “один размер подходит для многих”, при которой одна сконструированная тРНК потенциально может устранять один и тот же преждевременный стоп-сигнал в нескольких генах и при различных заболеваниях.
Как работает модифицированная тРНК?
Исследователи разработали молекулы тРНК, способные распознавать преждевременный стоп-сигнал и вставлять вместо него соответствующую аминокислоту.
Это позволяет клетке продолжать считывать генетические инструкции и потенциально производить полноразмерный белок.
Полученный белок не всегда может быть полностью идентичен природному белку. Однако, если восстановить достаточную функциональную активность, это может быть значительно лучше, чем производство небольшого количества функционального белка или его полное отсутствие.
Проще говоря, вместо изменения самой ДНК исследователи пытаются обойти преждевременный стоп-сигнал во время синтеза белка.
Повышение силы и эффективности тРНК
Превращение тРНК в практическое лекарственное средство оказалось непростой задачей. Одна из важных проблем заключается в том, чтобы сделать модифицированную тРНК достаточно активной и стабильной для производства значительных количеств белка.
Исследовательская группа обнаружила, что добавление специфической химической модификации, естественным образом присутствующей в тРНК, сделало модифицированную молекулу более активной и долговечной.
Это был важный шаг, поскольку терапевтическая тРНК должна оставаться функциональной достаточно долго, чтобы оказывать значимый биологический эффект.
Доставка тРНК в нужные клетки
Ещё одной серьёзной проблемой является доставка.
Даже высокоэффективная тРНК не сможет действовать как лекарство, если она не сможет достичь клеток, которые в ней нуждаются. Поэтому исследователи разработали специализированные липидные наночастицы (ЛНП) для доставки тРНК.
Хотя липидные наночастицы ранее использовались для доставки мРНК, исследователи переработали их специально для тРНК. Они протестировали около 1000 различных липидов, чтобы определить подходящую систему доставки.
Сочетание модифицированной тРНК и специализированной технологии доставки является одним из ключевых достижений исследования.
тРНК восстанавливает выработку белка в моделях муковисцидоза.
Первоначально исследователи протестировали этот подход на моделях муковисцидоза, включающих нонсенс-мутации в гене CFTR.
Существующие препараты, модулирующие CFTR, включая Трикафту, изменили подход к лечению многих людей с муковисцидозом. Однако эти лекарства неэффективны для пациентов, у которых заболевание вызвано определенными нонсенс-мутациями, поскольку необходимый полноразмерный белок CFTR может никогда не синтезироваться.
В клетках дыхательных путей человека, несущих две распространенные нонсенс-мутации, модифицированная тРНК восстановила выработку белка CFTR, и этот белок стал функциональным. Восстановленный белок также оставался обнаруживаемым более 40 дней.
Потенциал комбинированной терапии
Исследователи также протестировали клетки пациента с муковисцидозом, имеющего сложный генотип CFTR, содержащий четыре мутации, в том числе две нонсенс-мутации.
В этих органоидах, полученных от пациентов, ни тРНК, ни трикафта по отдельности не вызывали сильного ответа. Однако при совместном использовании эта комбинация восстанавливала полноразмерное производство CFTR и позволяла трикафте воздействовать на вновь синтезированный белок.
Это позволяет предположить, что терапию с использованием тРНК потенциально можно сочетать с существующими методами лечения, а не заменять ими.
Может ли исследование тРНК помочь в лечении других генетических заболеваний?
Наиболее важный потенциал этого исследования выходит за рамки муковисцидоза.
Поскольку одни и те же три преждевременных стоп-кодона могут встречаться во многих разных генах, сконструированная тРНК, предназначенная для распознавания одного из этих сигналов, потенциально может быть адаптирована для лечения множества генетических заболеваний.
В настоящее время исследователи изучают возможности применения этой платформы к другим органам и тканям. Для каждой целевой ткани может потребоваться своя собственная специализированная система доставки.
В отношении заболеваний легких команда уже продемонстрировала, что ее липидные наночастицы могут сохраняться при превращении в мелкодисперсный туман, что открывает возможности для будущих методов лечения с помощью ингаляционной тРНК.
Перспективный, но пока находящийся на ранней стадии подход.
Исследования тРНК для выявления нонсенс-мутаций все еще находятся на доклинической стадии, и прежде чем эта технология сможет стать одобренным методом лечения пациентов, потребуется гораздо больше исследований.
Тем не менее, эта концепция имеет важное значение. Вместо того чтобы разрабатывать совершенно разные методы лечения для каждой мутации, вызывающей заболевание, исследователи изучают возможность использования общей платформы на основе тРНК для воздействия на основной тип мутации в нескольких генах.
В случае успеха, терапия с использованием тРНК может в конечном итоге стать новой платформой для лечения генетических заболеваний, вызванных нонсенс-мутациями, включая заболевания, для которых в настоящее время существует мало или совсем нет эффективных методов лечения.
Узнайте больше: Изучите клинические исследования мышечной дистрофии Дюшенна.
