Ученые Пенсильванского университета показали, как с помощью молекулярного инструмента, получившего название CHARM, отредактировать «эпигеном». В отличие от CRISPR/Cas9, который вырезает и меняет фрагменты самого гена, CHARM прикрепляет к ДНК химические метки (метильные группы) и меняет активность гена. У мышей CHARM заставил замолчать ген, который производит вредные белки, вызывающие прионную болезнь в нейронах головного мозга.
«Редактор эпигенома» останавливает ген, вызывающий смертельные нарушения мозга
Ученые Пенсильванского университета с помощью молекулярного инструмента, который, не меняя сами гены, может заставить их «замолчать», остановили смертельно опасные прионы.
Отрезок молекулы ДНК, в центре которой находятся два симметрично (по обеим цепям) расположенных метилцитозина в составе CpG-динуклеотидов. Так и происходит метилирование. Википедия
Многие болезни, в том числе Альцгеймера и Паркинсона, связаны со сбоями в производстве белков. Гены в силу многих причин начинают буквально путаться и создают белки с ошибками. Эти белки забивают и разрушают нейроны. Но можно остановить производство таких белков, не меняя сам геном. Природа пользуется этим методом постоянно: он называется метилирование. Ученые нацелили свой инструмент на гены, работающие со сбоями, и остановили производство опасных белков — прионов, пока только у мышей.
Как остановить смертельные прионы
Болезнь Крейтцфельдта-Якоба — редкое заболевание мозга, вызванное неправильным сворачиванием белков, которое может быть побеждено с помощью новой системы редактирования CHARM
Прионные заболевания вызываются неправильно свернутыми прионными белками (PrP), которые слипаются и разрушают нейроны. Это может привести к таким состояниям, как фатальная семейная бессонница — редкое генетическое заболевание, которое лишает людей сна и приводит к смерти.
В 2021 году биохимик Джонатан Вайсман и его коллеги из Массачусетского технологического института разработали CRISPRoff3 — молекулярный инструмент, который добавляет к цепи ДНК химическую метку (метильную группу). Это снижает активность генов без изменения генома. Но оказалось, что этот инструмент невозможно доставить в клетки мозга, потому что его генетические компоненты слишком велики, чтобы поместиться в аденоассоциированный вирус (AAV) — обычное средство доставки генной терапии внутрь клеток.
Новый редактор эпигенома
Фотография, сделанная с помощью светового микроскопа, демонстрирует губчатую дегенерацию в коре головного мозга пациента, умершего от болезни Крейтцфельдта-Якоба. Это — редкое заболевание мозга, вызванное неправильным сворачиванием белков, которое может быть побеждено с помощью новой системы редактирования CHARM
Чтобы решить эту проблему, Вайсман и его коллеги разработали CHARM, который использует особые молекулы, так называемые «белки цинковых пальцев», для направления на целевые гены. Эти белки достаточно малы, чтобы их можно было доставить в векторе AAV.
Исследователи настроили CHARM для активации ДНК-метилтрансфераз. Это ферменты, которые обычно есть в клетках и как раз предназначены природой для метилирования ДНК и изменения экспрессии генов. CHARM приносит в клетку очень мало нового материала. «Это снижает токсические эффекты, связанные с добавлением молекул, чужих для клетки», — говорит Вайсман. — «Единственное, что мы изменяем в клетке, — это ее способность экспрессировать прионный белок».
Когда исследователи ввели CHARM в мозг мышей, они обнаружили, что он снижает экспрессию PrP более чем на 80% по всему мозгу — намного больше, чем минимальный уровень, необходимый для достижения терапевтического эффекта. Причем CHARM отключается и распадается после завершения работы по подавлению генов и не может нанести вред клетке.
CHARM можно использовать и для лечения других заболеваний, вызванных накоплением аномальных белков, таких как болезнь Паркинсона и Альцгеймера, добавляет Вайсман: «Мы знаем, что эпигенетическое "молчание" работает для большинства генов».