Исследователи редактируют гены в человеческих стволовых клетках

Учёные из Медицинской школы Джонса Хопкинса успешно отредактировали геном индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека, что открывает путь к разработке персонализированных клеточных терапий. В отчёте, опубликованном на этой неделе в Cell Stem Cell, команда изменила ген, ответственный за редкое заболевание крови — пароксизмальную ночную гемоглобинурию (PNH), впервые создав полезную систему для изучения этой болезни.

"На сегодняшний день успешно отредактировано лишь около шести генов в человеческих стволовых клетках после бесчисленных попыток — этого недостаточно для прогресса в исследованиях и терапии заболеваний", — говорит Линьчжао Ченг, доктор философии. "Нам удалось улучшить таргетирование и редактирование генов в человеческих эмбриональных стволовых клетках более чем в 200 раз".

Лаборатория Ченга изучает PNH — состояние, при котором "дружественный огонь" убивает собственные клетки крови пациента, а организм не может восполнить их из-за потери нормальных кроветворных стволовых клеток. PNH — приобретённое заболевание, которое встречается только у взрослых. "Это сложное для изучения состояние, потому что нужно работать с кроветворными стволовыми клетками, которые трудно выращивать в лаборатории. Поэтому мы годами пытались разработать другую клеточную систему", — поясняет Ченг.

Для создания исследовательской модели они использовали человеческие эмбриональные стволовые клетки, которые можно неограниченно размножать в лаборатории, но также им пришлось создать мутацию, как у пациента с PNH.

Чтобы таргетировать и "выключить" конкретный ген, вызывающий PNH, исследовательская группа усовершенствовала стандартный подход генного таргетирования, который может удалить функциональный ген или заменить дефектный. Эта технология, впервые успешно применённая для мышиных эмбриональных стволовых клеток, получила Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 2007 году.

Генное таргетирование использует собственную способность клетки восстанавливать разрывы в ДНК. Когда ДНК разрывается под воздействием мутагенов или ферментов, разрезающих ДНК, репарирующие ферменты клетки находят и соединяют два открытых конца. Однако, если в клетке присутствует другой фрагмент ДНК с открытыми концами, он может быть встроен в разорванную ДНК во время репарации, заменяя дефектную копию.

Технологическое улучшение команды включает использование специально сконструированных "молекулярных ножниц", созданных коллабораторами из Гарвардского университета и Юго-западного медицинского центра Техасского университета. Эти инженерные ферменты, разрезающие ДНК, делают точный разрыв в определённых местах генома клетки — в данном случае в гене, вызывающем PNH. Учёные добавили "молекулярные ножницы" и фрагмент ДНК, содержащий ген для селекции редких таргетированных клонов, как в человеческие эмбриональные стволовые клетки, так и в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPS-клетки). Последние очень похожи на эмбриональные стволовые клетки по биологическим свойствам, но генерируются из взрослых тканей, например, кожи.

Из всех клеток, переживших селекцию, они отобрали и вырастили восемь линий iPS-клеток для дальнейшего изучения. Пять из них содержали целевую вставку в нужном сайте гена. Дальнейшее исследование показало, что клетки содержали правильное число хромосом, не имели следов "молекулярных ножниц" и обладали характеристиками клеток пациентов с PNH, у которых отсутствует группа молекул на поверхности клеток.

"Мы очень взволнованы этим достижением; оно позволит лучше изучать и другие заболевания крови. Но предстоит ещё много работы, прежде чем мы сможем реально использовать человеческие iPS-клетки в клинической терапии", — говорит Ченг.

Команда Ченга продолжит совершенствовать техники и начнёт применять их к iPS-клеткам, полученным от пациентов.