Ένα εργαλείο μοριακής επεξεργασίας αρκετά μικρό ώστε να παραδοθεί στον εγκέφαλο σταματά την παραγωγή πρωτεϊνών που προκαλούν ασθένειες πριόν, μια σπάνια αλλά θανατηφόρα ομάδα νευροεκφυλιστικών διαταραχών.

Το σύστημα – γνωστό ως «συζευγμένη ουρά ιστόνης για αυτόματη απελευθέρωση μεθυλοτρανσφεράσης (CHARM)» – αλλάζει το «επιγονιδίωμα», μια συλλογή χημικών ετικετών συνδεδεμένων στο DNA που επηρεάζουν τη δραστηριότητα των γονιδίων. Στα ποντίκια, το CHARM σίγησε το γονίδιο που παράγει τις επιβλαβείς πρωτεΐνες που προκαλούν ασθένειες πριόν στους περισσότερους νευρώνες στον εγκέφαλο, χωρίς να αλλάξει η γονιδιακή αλληλουχία.

Το CHARM είναι το πρώτο βήμα προς την ανάπτυξη μιας ασφαλούς και αποτελεσματικής «εφάπαξ θεραπείας» για τη μείωση των επιπέδων των πρωτεϊνών που προκαλούν ασθένειες, λέει η Madelynn Whittaker, βιομηχανικός στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια στη Φιλαδέλφεια. Τα αποτελέσματα ανακοινώθηκαν σήμεραΕπιστήμη 1δημοσιευμένο.

«Το σύστημα αντιμετωπίζει σημαντικές προκλήσεις που αντιμετωπίζουν προηγούμενα συστήματα επιγενετικής επεξεργασίας», λέει ο Whittaker, συνοδεύοντας ένα άρθρο προοπτικής σεΕπιστήμησυν-συγγραφέας. Αυτά περιλαμβάνουν τη μείωση της τοξικότητας των εργαλείων επεξεργασίας και την παράδοσή τους στα κύτταρα χωρίς να διακυβεύεται η αποτελεσματικότητά τους, προσθέτει.

Οι ασθένειες Prion προκαλούνται από λανθασμένες πρωτεΐνες prion (PrPs) που συγκεντρώνονται και καταστρέφουν τους νευρώνες. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε καταστάσεις όπως το θανατηφόρο σύνδρομο οικογενειακής αϋπνίας - μια σπάνια γενετική ασθένεια που εμποδίζει τους ανθρώπους να κοιμηθούν και οδηγεί στο θάνατο. Αν και οι ασθένειες των πριόν είναι ανίατες, τα φάρμακα που ονομάζονται αντιπληροφοριακά ολιγονουκλεοτίδια (ASOs) έχουν δείξει πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα. Αυτά τα βραχέα, μονόκλωνα μόρια συνδέονται με ελαττωματικές αλληλουχίες αγγελιαφόρου RNA και αυξάνουν ή μειώνουν την έκφραση πρωτεΐνης. Προηγούμενες μελέτες σε ποντίκια που είχαν μολυνθεί με λανθασμένα διπλωμένες εκδόσεις του PrP έδειξαν ότι τα ASO μειώνουν την έκφραση αυτών των πρωτεϊνών και παρατείνουν τη διάρκεια ζωής 2. Αλλά τα φάρμακα απαιτούν πολλαπλές ενέσεις για να επιτύχουν ένα μακροπρόθεσμο θεραπευτικό αποτέλεσμα και μπορεί να οδηγήσουν σε παρενέργειες όπως ηπατική βλάβη, λέει ο Whittaker.

Το 2021, ο Jonathan Weissman, βιοχημικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης στο Κέμπριτζ, και η ομάδα του ανέπτυξαν το CRISPRoff 3– ένα εργαλείο επεξεργασίας που προσθέτει μια χημική ετικέτα που ονομάζεται ομάδα μεθυλίου στον κλώνο του DNA, η οποία μειώνει τη δραστηριότητα των γονιδίων χωρίς να αλλοιώνει το γονιδίωμα. Αλλά το εργαλείο δεν μπορεί να παραδοθεί στα εγκεφαλικά κύτταρα επειδή τα γενετικά του συστατικά είναι πολύ μεγάλα για να χωρέσουν σε έναν αδενο-σχετιζόμενο ιό (AAV) - ένα κοινό όχημα για την παροχή γονιδιακών θεραπειών στα κύτταρα. «Η πραγματική πρόκληση ήταν η παράδοση», λέει ο Weissman.

Νέος συντάκτης

Για να το λύσει αυτό, ο Weissman και η ομάδα του ανέπτυξαν το CHARM, το οποίο χρησιμοποιεί μόρια που ονομάζονται πρωτεΐνες δακτύλων ψευδαργύρου για να κατευθύνεται σε γονίδια-στόχους. Αυτές οι πρωτεΐνες είναι αρκετά μικρές για να απελευθερωθούν σε έναν φορέα AAV.

Οι ερευνητές τροποποίησαν το CHARM για να στρατολογήσουν και να ενεργοποιήσουν συστατικά μεθυλοτρανσφερασών του DNA - μόρια που βρίσκονται σε κύτταρα που συνδέουν ομάδες μεθυλίου στο DNA, προκαλώντας αλλαγή της γονιδιακής έκφρασης. Αυτό μειώνει τις τοξικές επιδράσεις που σχετίζονται με την προσθήκη μορίων έξω από το κύτταρο, λέει ο Weissman. «Το μόνο πράγμα που αλλάξαμε στο κύτταρο ήταν η ικανότητά του να εκφράζει την πρωτεΐνη πριόν», λέει.

Όταν οι ερευνητές παρέδωσαν CHARM στον εγκέφαλο υγιών ποντικών, διαπίστωσαν ότι μείωσε την έκφραση PrP σε όλο τον εγκέφαλο κατά περισσότερο από 80% - πολύ πάνω από το ελάχιστο επίπεδο που απαιτείται για ένα θεραπευτικό αποτέλεσμα. Ο Weissman και η ομάδα του σχεδίασαν επίσης το CHARM για να κλείνει αφού τελειώσει την αθόρυβη δουλειά του, εμποδίζοντάς το να κάνει αντίγραφα του εαυτού του που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε επιβλαβείς παρενέργειες.

Η ομάδα πίσω από το CHARM περιλαμβάνει τη Sonia Vallabh και τον σύζυγό της Eric Vallabh Minikel, επιστήμονες prion στο Broad Institute του MIT και στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ στο Κέμπριτζ. Ο Vallabh κληρονόμησε τη μετάλλαξη πίσω από το μοιραίο σύνδρομο οικογενειακής αϋπνίας και πριν από δώδεκα χρόνια ο Vallabh και ο Minikel άλλαξαν καριέρα για να ερευνήσουν θεραπείες για την ασθένεια. Η Vallabh λέει ότι το CHARM της φέρνει «τεράστια αυτοπεποίθηση». Προσθέτει ότι η ανάπτυξη φαρμάκων είναι συνήθως αργή, αλλά η εργασία δείχνει πόσο γρήγορα μπορούν να αναπτυχθούν νέες προσεγγίσεις με τη σωστή ομάδα. «Η κλίμακα αυτού που μπορείς να πετύχεις σε σύντομο χρονικό διάστημα είναι απίστευτη», λέει ο Vallabh. «Μόλις πριν από δύο χρόνια και ένα μήνα παρουσιάσαμε για πρώτη φορά στον Τζόναθαν την ιδέα να συνεργαστούμε και τώρα είμαστε εδώ».

Το CHARM έχει επίσης τη δυνατότητα να θεραπεύσει άλλες ασθένειες που προκαλούνται από τη συσσώρευση μη φυσιολογικών πρωτεϊνών, όπως το Πάρκινσον και το Αλτσχάιμερ, προσθέτει ο Weissman. «Γνωρίζουμε ότι η επιγενετική σίγαση δεν λειτουργεί για κάθε γονίδιο, αλλά για την πλειοψηφία των γονιδίων», λέει.

Ο Jacob Goell, ένας ερευνητής που αναπτύσσει εργαλεία επεξεργασίας επιγονιδιώματος στο Πανεπιστήμιο Rice στο Χιούστον του Τέξας, είναι αισιόδοξος ότι το CHARM μια μέρα θα καταλήξει στην κλινική. Απαιτείται όμως πιο ολοκληρωμένη δουλειά για να αξιολογηθεί πώς το εργαλείο και οι αλλαγές που δημιουργεί αλληλεπιδρούν με τον γενετικό μηχανισμό των κυττάρων, ιδιαίτερα σε μεγαλύτερες χρονικές περιόδους, προσθέτει.

Το επόμενο βήμα είναι να μελετήσουμε πώς λειτουργεί το CHARM σε έναν φορέα AAV που μπορεί να στοχεύσει νευρώνες στον ανθρώπινο εγκέφαλο. «Αυτή είναι η επόμενη μεγάλη πρόκληση», λέει.