Молекула-протез открывает путь к лечению болезней, вызванных повторами ДНК

Исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон использовали специально разработанную молекулу для преодоления блока, вызванного распространенным генетическим дефектом. Они добились прогресса в создании новых молекулярных методов лечения атаксии Фридрейха — редкого, но смертельного заболевания — в лабораторных условиях (in vitro) и на животных моделях (in vivo).

Атаксия Фридрейха, как и не менее 40 других генетических болезней, вызвана участками повторяющейся ДНК, которые мешают правильному образованию белка.

Эти повторы могут содержать сотни одинаковых коротких последовательностей ДНК (например, GAAGAAGAAGAA...). При одних заболеваниях, включая атаксию Фридрейха, повторы становятся непреодолимым препятствием для клеточных механизмов, которые считывают ген и начинают производить необходимый клетке белок. При других, например, неврологическом заболевании Хантингтона, повторы могут приводить к избытку белка, который сам по себе становится токсичным.

В исследовании, опубликованном на этой неделе в журнале Science, профессор биохимии и геномики UW-Madison Асим Ансари и его коллеги показали, что их «молекулярный протез» может помочь клеточным механизмам преодолеть блокаду, создаваемую повторами при атаксии Фридрейха.

Один компонент протеза находит повторы, а второй помогает клеточной машинерии пройти через них, чтобы правильно расшифровать ген.

Атаксия Фридрейха встречается лишь у одного из 50 000 американцев, но она смертельна и неизлечима, говорит Ансари. «У этих детей накапливаются повторы в гене белка фратаксина, который необходим митохондриям — энергетическим станциям клетки — для обработки энергии. Без фратаксина в первую очередь страдают ткани, потребляющие больше всего энергии: мозг, сердце и поджелудочная железа».

Уже к 5 годам движения нарушаются «потому что мозг не получает необходимой ему энергии, и в нем также накапливаются повреждения ДНК», — говорит Ансари. «Большинство молодых людей с атаксией Фридрейха развивают серьезные проблемы с сердцем и оказываются прикованными к инвалидному креслу, но болезнь настолько редка, что немногие фармацевтические компании инвестируют в ее лечение».

В группе Ансари Грэм Эрвин, Мэтью Гришоуп и Асфа Али сформировали команду, которая спроектировала и создала прототип молекулы, а также организовала сотрудничество с коллегами из UW-Madison, фармацевтической компании Novartis и ведущего медицинского центра в Индии.

Публикация в Science основана на двух типах экспериментов:

• В исследованиях на клеточных линиях от более чем 20 пациентов с атаксией Фридрейха молекулярный протез восстановил экспрессию белка фратаксина.
• У мышей с трансплантированными человеческими клетками, содержащими около 310 повторов GAA, протез восстановил экспрессию сигнального белка почти до нормального уровня.

Тестируемая молекула предназначена для помощи ферменту, который считывает или «транскрибирует» ДНК на запутанных повторах. Пройдя на другую сторону, фермент, называемый РНК-полимеразой, считывает ген и создает РНК, которая, в свою очередь, кодирует фратаксин — белок, которого не хватает при атаксии Фридрейха.

Одна часть новой молекулы — это «указатель направления, который мы сконструировали, чтобы найти проблему в геноме пациента», — говорит Ансари. Как только он находит проблемные повторы, «второй компонент привлекает механизмы, которые помогают РНК-полимеразе пробиваться через повторы и создавать правильную транскрипцию, а впоследствии — функциональный белок».

Понимание роли фратаксина и того, как повторы блокируют его синтез, началось с исследований на дрожжевых клетках, а затем на плодовых мушках, говорит Ансари. «В этих простых организмах ученые выяснили, что именно делает область повторов, и те же принципы работали в человеческих клетках. Без этого понимания мы не смогли бы разработать наши молекулы, что подчеркивает необходимость изучения биологии на всех уровнях».

Хотя биохимия сложна, концепция игнорирования повторов — нет, говорит Ансари. «Если мы сравним фермент, считывающий ДНК, с двигателем, движущимся по «дорожке» ДНК, то повтор может полностью его остановить, заставить пропустить слишком большой участок вперед или заклинить в положении «включено», так что он производит токсичное количество белка».

Новые результаты, опубликованные на этой неделе в Science, позволяют предположить, что «мы поняли, как включить ту часть гена, которая игнорируется, ничего не делая больше нигде», — говорит Ансари.

Даже несмотря на то, что пациенты и их семьи жаждут излечения, вероятно, пройдет несколько лет, прежде чем начнутся испытания лекарств, предупреждает Ансари.

Ансари, который пытается разгадать загадку повторов около 15 лет в UW-Madison, добился первоначального успеха в 2004 году, когда его группа разработала «двухголовые» молекулы с «головой для считывания ДНК», которая доставляла молекулу в определенное место в геноме человека, и «стыковочной головой», которая присоединяла клеточную машину, чтобы заставить ген правильно считываться в этом месте.

Затем, говорит Ансари, исследователи обнаружили, что молекула «отвлекалась», плавая в море ДНК, и не могла отличить сотни «похожих» участков от своей реальной цели.

К 2013 году финансирование иссякло, и только грант от Фонда W.M. Keck позволил Ансари продолжить поиски способа обмануть повторы.

В то время как многие попытки лечения атаксии Фридрейха основаны на скрининге миллионов препаратов, «мы исходим из более глубокого понимания проблемы», — говорит Ансари. «Как только мы поняли, почему фермент блокируется, мы рационально сконструировали семь молекул, чтобы помочь ферменту пройти препятствие».

Фонд исследований выпускников Висконсина (WARF) подал заявки на два патента на это открытие, которое, по мнению Ансари, может иметь более широкое применение. «Благодаря недавним достижениям в секвенировании человеческого генома, более 40 заболеваний были признаны результатом микросателлитных повторов», — говорит Ансари, включая синдром ломкой X-хромосомы, вызывающий трудности в развитии, и некоторые типы мышечной дистрофии.

«Теперь, когда мы начинаем понимать, как обезвредить эти повторы, — говорит он, — мы рассматриваем это как общее решение, принцип молекулярной инженерии. Мы секвенируем геном, выясняем проблему и создаем молекулу, адаптированную для этого конкретного человека. Это новый, точно настроенный путь к персонализированной медицине».