Το παράξενο ένζυμο επιτρέπει στους ερευνητές να μελετήσουν, και ενδεχομένως να θεραπεύσουν – θανατηφόρες ασθένειες.
Ένα παράξενο βακτηριακό ένζυμο επέτρεψε στους ερευνητές να επιτύχουν αυτό που ακόμη και το δημοφιλές σύστημα επεξεργασίας γονιδιώματος CRISPR-Cas9 δεν μπορούσε να διαχειριστεί: στοχευμένες αλλαγές στα γονιδιώματα των μιτοχονδρίων, κρίσιμες δομές παραγωγής ενέργειας των κυττάρων.
Η τεχνική που βασίζεται σε μια εξαιρετικά ακριβή έκδοση της γονιδιακής επεξεργασίας που ονομάζεται βασική επεξεργασία, θα μπορούσε να επιτρέψει στους ερευνητές να αναπτύξουν νέους τρόπους για να μελετήσουν, και ίσως ακόμη και να θεραπεύσουν, ασθένειες που προκαλούνται από μεταλλάξεις στο μιτοχονδριακό γονιδίωμα. Τέτοιες διαταραχές μεταδίδονται συχνότερα στη μητέρα και επηρεάζουν την ικανότητα του κυττάρου να παράγει ενέργεια. Αν και υπάρχει μόνο ένας μικρός αριθμός γονιδίων στο μιτοχονδριακό γονιδίωμα σε σύγκριση με το πυρηνικό γονιδίωμα, αυτές οι μεταλλάξεις μπορούν να βλάψουν ιδιαίτερα το νευρικό σύστημα και τους μύες, συμπεριλαμβανομένης της καρδιάς, και μπορεί να είναι θανατηφόρες για τους ανθρώπους που τα κληρονομούν.
Ωστόσο, ήταν δύσκολο να μελετηθούν τέτοιες διαταραχές, επειδή οι επιστήμονες δεν διέθεταν τρόπο να κάνουν ζωικά μοντέλα με τις ίδιες αλλαγές στο μιτοχονδριακό γονιδίωμα. Η τελευταία τεχνική σηματοδοτεί την πρώτη φορά που οι ερευνητές έχουν πραγματοποιήσει τέτοιες στοχευμένες αλλαγές και θα μπορούσαν να επιτρέψουν στους ερευνητές να το κάνουν αυτό. «Είναι μια πολύ συναρπαστική εξέλιξη», λέει ο Carlos Moraes, ένας μιτοχονδριακός γενετιστής στο Πανεπιστήμιο του Μαϊάμι της Φλόριντα. «Η ικανότητα τροποποίησης του μιτοχονδριακού DNA θα μας επέτρεπε να κάνουμε ερωτήσεις που, πριν, δεν μπορούσαμε». Το έργο δημοσιεύθηκε στις 8 Ιουλίου στο Nature .
Διευρυμένη εργαλειοθήκη
Το CRISPR – Cas9 επέτρεψε στους ερευνητές να τροποποιήσουν τα γονιδιώματα σύμφωνα με τις προτιμήσεις τους σε σχεδόν κάθε οργανισμό στον οποίο έχει δοκιμαστεί. Αλλά το εργαλείο χρησιμοποιεί ένα σκέλος RNA για να καθοδηγήσει το ένζυμο Cas9 στην περιοχή του DNA που οι επιστήμονες επιθυμούν να επεξεργαστούν. Αυτό λειτουργεί καλά για το DNA στον πυρήνα του κυττάρου, αλλά οι ερευνητές δεν έχουν τρόπο να μεταφέρουν αυτό το RNA σε μιτοχόνδρια, τα οποία περιβάλλονται από μεμβράνες.
Στα τέλη του 2018, ο χημικός βιολόγος David Liu του Broad Institute of MIT και το Χάρβαρντ στο Cambridge της Μασαχουσέτης, έλαβε ένα μήνυμα ηλεκτρονικού ταχυδρομείου από όλη τη χώρα: στο Σιάτλ, μια ομάδα με επικεφαλής τον μικροβιολόγο Joseph Mougous στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον ανακάλυψε ένα παράξενο ένζυμο. Ήταν μια τοξίνη που παράγεται από το βακτήριο Burkholderia cenocepacia και όταν αντιμετώπισε τη βάση DNA του C, τη μετέτρεψε σε U. Επειδή το U, το οποίο δεν βρίσκεται συνήθως στο DNA, συμπεριφέρεται σαν T, τα ένζυμα που αντιγράφουν το DNA του κυττάρου αντιγράψτε το ως T, μετατρέποντας αποτελεσματικά ένα C στην ακολουθία του γονιδιώματος σε T.
Ο Λιου είχε αξιοποιήσει παρόμοια ένζυμα στην επεξεργασία βάσης, το οποίο επιτρέπει στους ερευνητές να χρησιμοποιούν συστατικά του CRISPR-Cas9 για να αλλάξουν μια βάση DNA σε άλλη. Αλλά αυτά τα ένζυμα, που ονομάζονται κυτταριδικές απαμινάσες, δρουν κανονικά μόνο σε μονόκλωνο DNA. Το DNA στα ανθρώπινα κύτταρα αποτελείται από δύο κλώνους που τυλίγονται μεταξύ τους και, στο παρελθόν, ο Liu έπρεπε να βασιστεί στο ένζυμο Cas9 για να σπάσει το DNA και να δημιουργήσει μια περιοχή μη ξετυλιγμένου, μονόκλωνου DNA για να δράσουν τα ένζυμα του. Λόγω της εξάρτησής του από το σκέλος του RNA που καθοδηγεί το Cas9, αυτή η τεχνική δεν θα μπορούσε να φτάσει στο μιτοχονδριακό γονιδίωμα.
Αλλά το ένζυμο που βρήκε η ομάδα του Mougous, το οποίο ονομάζεται DddA, θα μπορούσε να δράσει απευθείας στο δίκλωνο DNA χωρίς να βασίζεται στο ένζυμο Cas9 για να το σπάσει. Αυτό, ο Λιου και ο Μούγκους αιτιολόγησαν, θα μπορούσαν να κάνουν το DddA κατάλληλο για την επίτευξη του μιτοχονδριακού γονιδιώματος.
Αλλά για να μετατρέψει το DddA σε εργαλείο επεξεργασίας γονιδιώματος, ο Liu χρειάστηκε αρχικά να «εξημερώσει το θηρίο» – η ικανότητα τροποποίησης του διπλού κλώνου DNA καθιστά επίσης το ένζυμο θανατηφόρο επειδή, εάν ελευθερωθεί, θα μεταλλάξει κάθε C που συναντήθηκε. Για να αποφευχθεί αυτό, η ομάδα χώρισε το ένζυμο σε δύο κομμάτια που θα άλλαζαν το DNA μόνο όταν συγκεντρώνονταν στο σωστό προσανατολισμό. Και για να ελέγξει ποια αλληλουχία DNA τροποποίησε το ένζυμο, η ομάδα στη συνέχεια συνδέει κάθε μισό DddA με πρωτεΐνες που έχουν σχεδιαστεί για να δεσμεύονται σε συγκεκριμένες θέσεις στο γονιδίωμα.
Εξερεύνηση ασθενειών
Η δουλειά απέχει πολύ από το να χρησιμοποιηθεί στην κλινική, προειδοποιεί ο Λιου. Αν και οι αρχικές μελέτες της ομάδας του διαπίστωσαν λίγες αλλαγές DNA εκτός στόχου – ένα κοινό πρόβλημα στην επεξεργασία γονιδίων CRISPR-Cas9 – απαιτούνται περισσότερες μελέτες σε διαφορετικούς τύπους κυττάρων, λέει.
Η τεχνική θα μπορούσε τελικά να συμπληρώσει τις υπάρχουσες μεθόδους που χρησιμοποιούνται για την πρόληψη ή τη θεραπεία των μιτοχονδριακών διαταραχών. Ορισμένες χώρες επιτρέπουν ήδη μια διαδικασία που ονομάζεται μιτοχονδριακή αντικατάσταση, στην οποία ο πυρήνας ενός αυγού ή εμβρύου μεταμοσχεύεται σε αυγό δότη ή έμβρυο που περιέχει υγιή μιτοχόνδρια.
Οι ερευνητές ανέπτυξαν επίσης μια τεχνική για τη διόρθωση των μιτοχονδριακών μεταλλάξεων, εκμεταλλευόμενοι το γεγονός ότι τα κύτταρα μπορούν να περιέχουν χιλιάδες αντίγραφα του μιτοχονδριακού γονιδιώματος, και αυτό συχνά, ένα κλάσμα αυτών δεν περιέχει τη μετάλλαξη που συνδέεται με την ασθένεια. Οι Moraes και άλλοι έχουν αναπτύξει ένζυμα που θα εισέλθουν στα μιτοχόνδρια και θα κόψουν το DNA στη θέση της επιβλαβούς μετάλλαξης. Αντί να επισκευάσει το κόψιμο, τα μιτοχόνδρια συχνά απλώς υποβαθμίζουν το DNA που έχει υποστεί ζημιά. Το αποτέλεσμα θα ήταν μιτοχόνδρια που έχουν εξαντληθεί από το μεταλλαγμένο αντίγραφο του γονιδιώματος, επιτρέποντας τελικά στο κανονικό αντίγραφο να ξαναπληθύνει τη δομή.
Η τελευταία προσέγγιση επεξεργασίας θα μπορούσε να επιτρέψει στους ερευνητές να διορθώσουν τέτοιες μεταλλάξεις ακόμη και όταν τα μιτοχόνδρια δεν έχουν επαρκή φυσιολογικά αντίγραφα του γονιδίου, λέει ο Michal Minczuk, ένας μιτοχονδριακός γενετιστής στο Πανεπιστήμιο του Cambridge του Ηνωμένου Βασιλείου. Αν και οι ιατρικές εφαρμογές είναι ακόμη μακρινές, οι ερευνητές θα ωφεληθούν βραχυπρόθεσμα, λέει, χρησιμοποιώντας την τεχνική για τη δημιουργία ζωικών μοντέλων στα οποία μπορούν να μελετήσουν τα αποτελέσματα των μιτοχονδριακών μεταλλάξεων. «Θα μπορούσαμε να το επιταχύνουμε πολύ», λέει. “Είναι ένα καταπληκτικό βήμα μπροστά.”