В России создали «выключатель генов»: он в 17 раз эффективней аналогов

Особенности наследственных заболеваний

Генетические (наследственные) заболевания появляются вследствие изменений в ДНК, которые могут возникать под воздействием различных факторов. Например, хромосомные аномалии, сопутствующие формированию гамет, — сперматозоидов и яйцеклеток — приводят к таким заболеваниям, как трисомия 21-й хромосомы (синдром Дауна), моносомия Х-хромосомы (синдром Шершевского — Тернера) и синдром Клайнфельтера (дисомия Х-хромосомы). Другой причиной генетических заболеваний являются мутации митохондриальной ДНК, передающиеся от матери к ребенку и вызывающие такие заболевания, как синдром Ли и миоклоническая эпилепсия.

Кроме того, на проявлении генетических аномалий сказываются эпигенетические изменения, а именно модификации ДНК. Они влияют на экспрессию генов, сохраняя при этом последовательность цепочки. Такого рода аномалии могут привести в частности к формированию онкологических заболеваний.

Наследственные болезни коварны. Иногда их могут обнаружить у детей даже тогда, когда их родители кажутся здоровыми. В этом случае взрослые являются носителями рецессивных мутаций. Когда имеется одинаковая мутация или разная мутация в одном гене у обоих родителей, она также может передаваться потомству.

Существуют генетические заболевания, которые считаются наследственными, но, как ни парадоксально, не передаются между поколениями. В таких ситуациях возникают новые мутации, и в 50% случаев уже они могут наследоваться потомками. 

Частота генетических заболеваний варьируется в разных популяциях. К наиболее распространенным в нашей стране, которую населяют в основном европеоиды, относятся фенилкетонурия, спинальная мышечная атрофия, синдром Смита — Лемли — Опитца и муковисцидоз.

Другие распространенные заболевания, связанные с наследственностью, — это рак толстого кишечника и хиломикронемия (состояние, при котором в организме не хватает фермента липопротеинлипазы, необходимого для переработки жиров), способные возникать вследствие патологических изменений в определенных генах.

Основные методы лечения генетических болезней

Информация, «закодированная» в генах, определяет, какие молекулы белка или РНК должен «воспроизводить» организм для своего нормального функционирования. Однако наличие мутации в гене приводит к тому, что вместе с нужной информацией будут наследоваться и данные об аномалии. Процесс начинается с того, что гены из ДНК преобразуются в матричную РНК (мРНК). Затем эта мРНК переводится в полипептидный набор (цепь аминокислот, отвечающих за характеристики и функции белка), после чего формируется полноценный белок.

Среди перспективных способов лечения генетических заболеваний — «отключение» конкретных генов. Для этой цели используются антисмысловые олигонуклеотиды, малые интерферирующие РНК и ДНКзимы.

Антисмысловые олигонуклеотиды

Если заболевание связано с определенным геном или белком, в его терапии можно применять антисмысловые олигонуклеотиды. Эти одноцепочечные, химически модифицированные, фрагменты ДНК способны «отключать» или активизировать синтез конкретного белка, влияя на матричную РНК. На пути к развитию этого метода, который появился около 40 лет назад, возникло множество проблем, таких как токсичность и сложности доставки активных компонентов. Тем не менее, в 2016 году удалось добиться успеха, и на базе антисмысловых олигонуклеотидов был разработан действующий препарат для терапии спинальной мышечной атрофии. 

siРНК

Малые интерферирующие РНК, или siРНК, открытые в 1999 году, также рассматриваются как многообещающий подход к лечению наследственных и вирусных заболеваний. Эти двухцепочечные молекулы РНК способны блокировать экспрессию определенных генов, связанных с разнообразными патологиями, включая раковые заболевания. Исследования на млекопитающих ведутся с 2001 года. Благодаря высокой специфичности siРНК ученые видят целесообразность их применения в индивидуальной генной терапии.

ДНКзимы

Каталитические одноцепочечные молекулы ДНК, известные как дезоксирибозимы (ДНКзимы), способны распознавать и разрезать молекулы РНК. Этот метод является многообещающим, так как ДНКзимы могут целенаправленно уничтожать мРНК специфических генов, способствующих росту раковых клеток или зараженные вирусом клетки. Идея использования ДНКзимов в медицине была выдвинута более 20 лет назад, но на пути к ее интеграции в клиническую практику существуют трудности. В лабораторных условиях ДНКзимы демонстрируют высокую специфичность, но общую низкую эффективность, и наблюдать за их действиями внутри клеток удается крайне редко.

Разработка ученых ИТМО

«В структуре нашего соединения два ДНКзима стабильно связаны между собой, благодаря чему они эффективно связываются с РНК целевого гена и быстро его расщепляют. Но пока вопрос, как реагент поведет себя внутри клеток, остается открытым. Использовать его, например, в линиях раковых клеток — это следующий шаг нашего исследования в будущем. Затем, в случае успеха, от отдельных клеток перейдем к испытаниям на животных. Стоит сказать, что впереди еще немало работы, до внедрения данной разработки в производство могут пройти годы», — говорит Михаил Дубовиченко, первый автор исследования, аспирант химико-биологического кластера ИТМО.

В целом разработка бивалентных ДНКзимов выглядит обнадеживающе. ДНКзим классического дизайна состоит из двух «рук», комплементарно соединяющихся с РНК целевого гена, и каталитического центра, расщепляющего эту РНК. В новой модификации исследователи из ИТМО применили два связанных терапевтических ДНКзима, обладающих четырьмя «руками» и двумя каталитическими центрами. Данное решение позволило охватить и связать большую площадь целевой РНК, таким образом кратно повысив скорость ее расщепления.

Преимущества российской разработки

Как отмечает Михаил Дубовиченко, среди конкурентных преимуществ разработки можно выделить два момента. Первый: хорошая «проходимость». У мРНК имеются проблемные участки, на которых лекарству на основе ДНКзимов, бывает трудно или вообще невозможно закрепиться. Это объясняется тем, что мРНК обладает сложной вторичной структурой — в виде множества «стволов» и «шпилек».

Новый прототип в ходе исследований показал, что не только способен закрепиться в нужной части мРНК, но и расщепить ее в 17 раз быстрее, чем аналогичные конструкции, использованные ранее. Если целевая область окажется в труднодоступном месте, разработанный прототип за счет большего количества «рук» будет эффективно связываться с ней. Связывание происходит по принципу комплементарности — взаимодействию оснований нуклеотидов препарата с аналогичными в мРНК целевого гена.

Также конкурентным преимуществом является высокая специфичность нового реагента.

«Он довольно точно распознает РНК того гена, на расщепление которого он “настроен”. Встречаются гены, которые довольно похожи друг на друга по составу нуклеотидов, поэтому важно, чтобы “выключался” только нужный из них. Наш реагент довольно чувствительный к нецелевым генам, и даже если один из них в области связывания будет отличаться хотя бы на один нуклеотид от целевого, то бивалентный ДНКзим не сможет полностью связаться с мРНК и неспецифического расщепления не произойдет», — говорит Михаил Дубовиченко.

Применение разработки ученых ИТМО

В будущем разработанный концепт позволит создать уникальные лекарства, способные целенаправленно бороться с онкологическими, вирусными или наследственными заболеваниями, такими как колоректальный рак, вирус Эпштейна — Барра или транстиретиновый амилоидоз.

Исследователи в дальнейшем намерены модифицировать структуру ДНКзимов, увеличить их количество в одной молекуле и разработать каждый из них для нацеливания на мРНК разных генов одновременно, что позволит более эффективно бороться со сложными заболеваниями путем выключения сразу двух и более генов. Впоследствии бивалентные ДНКзимы могут составить конкуренцию антисмысловой терапии и siРНК.

^{Обложка – downloaded from Freepik.}

The post В России создали «выключатель генов»: он в 17 раз эффективней аналогов appeared first on Хайтек.