Narzędzie do edycji molekularnej, na tyle małe, że można je dostarczyć do mózgu, wstrzymuje produkcję białek powodujących choroby prionowe – rzadką, ale śmiertelną grupę chorób neurodegeneracyjnych.

System – znany jako „sprzężony ogon histonowy do automatycznego uwalniania metylotransferazy (CHARM)” – zmienia „epigenom”, zbiór znaczników chemicznych związanych z DNA, które wpływają na aktywność genów. U myszy projekt CHARM wyciszył gen wytwarzający szkodliwe białka powodujące choroby prionowe w większości neuronów w mózgu, nie zmieniając sekwencji genów.

CHARM to pierwszy krok w kierunku opracowania bezpiecznego i skutecznego „jednorazowego leczenia” zmniejszającego poziom białek chorobotwórczych, mówi Madelynn Whittaker, bioinżynier z Uniwersytetu Pensylwanii w Filadelfii. Wyniki ogłoszono dzisiajNauka 1opublikowany.

„System rozwiązuje znaczące wyzwania, przed którymi stały poprzednie systemy edycji epigenetycznej”, mówi Whittaker, towarzyszący publikacji artykuł perspektywiczny WNaukawspółautorem. Należą do nich zmniejszenie toksyczności narzędzi do edycji i dostarczanie ich do komórek bez uszczerbku dla ich skuteczności – dodaje.

Choroby prionowe powodowane są przez nieprawidłowo sfałdowane białka prionowe (PrP), które zlepiają się i niszczą neurony. Może to prowadzić do takich schorzeń, jak zespół śmiertelnej rodzinnej bezsenności – rzadka choroba genetyczna, która uniemożliwia ludziom zasypianie i prowadzi do śmierci. Chociaż choroby prionowe są nieuleczalne, leki zwane oligonukleotydami antysensownymi (ASO) przyniosły obiecujące wyniki. Te krótkie, jednoniciowe cząsteczki wiążą się z wadliwymi sekwencjami informacyjnego RNA i zwiększają lub zmniejszają ekspresję białka. Poprzednie badania na myszach zakażonych nieprawidłowo sfałdowanymi wersjami PrP wykazały, że ASO zmniejszają ekspresję tych białek i wydłużają żywotność 2. Jednak leki wymagają wielokrotnych wstrzyknięć, aby osiągnąć długotrwały efekt terapeutyczny i mogą prowadzić do działań niepożądanych, takich jak uszkodzenie wątroby, mówi Whittaker.

W 2021 roku Jonathan Weissman, biochemik z Massachusetts Institute of Technology w Cambridge, wraz ze swoim zespołem opracował CRISPRoff 3– narzędzie edycyjne, które dodaje do nici DNA znacznik chemiczny zwany grupą metylową, co zmniejsza aktywność genu bez zmiany genomu. Narzędzie to nie może jednak zostać dostarczone do komórek mózgowych, ponieważ jego składniki genetyczne są zbyt duże, aby zmieściły się w wirusie związanym z adenowirusem (AAV) – powszechnym nośniku dostarczania terapii genowych do komórek. „Prawdziwym wyzwaniem była dostawa” – mówi Weissman.

Nowy redaktor

Aby rozwiązać ten problem, Weissman i jego zespół opracowali CHARM, który wykorzystuje cząsteczki zwane białkami palca cynkowego do kierowania się do docelowych genów. Białka te są wystarczająco małe, aby można je było dostarczyć w wektorze AAV.

Naukowcy zmodyfikowali CHARM w celu rekrutacji i aktywacji składników metylotransferaz DNA – cząsteczek występujących w komórkach, które przyłączają grupy metylowe do DNA, powodując zmianę ekspresji genów. Zmniejsza to toksyczne skutki związane z dodawaniem cząsteczek spoza komórki, mówi Weissman. „Jedyną rzeczą, którą zmieniliśmy w komórce, była jej zdolność do ekspresji białka prionowego” – mówi.

Kiedy naukowcy podali CHARM do mózgów zdrowych myszy, odkryli, że zmniejsza on ekspresję PrP w mózgu o ponad 80% – znacznie powyżej minimalnego poziomu wymaganego do uzyskania efektu terapeutycznego. Weissman i jego zespół zaprojektowali także CHARM tak, aby wyłączał się po zakończeniu cichej pracy, zapobiegając tworzeniu się kopii, które mogłyby prowadzić do szkodliwych skutków ubocznych.

W skład zespołu CHARM wchodzą Sonia Vallabh i jej mąż Eric Vallabh Minikel, naukowcy zajmujący się prionami w Broad Institute of MIT i Harvard University w Cambridge. Vallabh odziedziczył mutację odpowiedzialną za śmiertelny zespół rodzinnej bezsenności, a dwanaście lat temu Vallabh i Minikel zmienili karierę, aby zbadać możliwości leczenia tej choroby. Vallabh mówi, że CHARM dodaje jej „niezwykłej pewności siebie”. Dodaje, że opracowywanie leków jest zazwyczaj powolne, ale prace pokazują, jak szybko można opracować nowe podejście, mając odpowiedni zespół. „Skala tego, co można osiągnąć w krótkim czasie, jest niesamowita” – mówi Vallabh. „Zaledwie dwa lata i miesiąc temu po raz pierwszy przedstawiliśmy Jonathanowi pomysł wspólnej pracy i teraz jesteśmy tutaj”.

CHARM ma także potencjał w leczeniu innych chorób spowodowanych gromadzeniem się nieprawidłowych białek, takich jak choroba Parkinsona i Alzheimera, dodaje Weissman. „Wiemy, że wyciszanie epigenetyczne nie działa w przypadku każdego genu, ale w przypadku większości genów” – mówi.

Jacob Goell, badacz opracowujący narzędzia do edycji epigenomu na Uniwersytecie Rice w Houston w Teksasie, jest optymistą, że CHARM pewnego dnia trafi do kliniki. Konieczne są jednak bardziej wszechstronne prace, aby ocenić, w jaki sposób narzędzie i zmiany, które ono powoduje, wchodzą w interakcję z maszynerią genetyczną komórek, szczególnie w dłuższych okresach czasu – dodaje.

Następnym krokiem jest zbadanie, jak CHARM działa w wektorze AAV, który może atakować neurony w ludzkim mózgu. „To kolejne duże wyzwanie” – mówi.