Генная инженерия – это быстро развивающаяся научная дисциплина, имеющая огромное применение в настоящее время и потенциал на будущее. Специалисту по научным коммуникациям, который непосредственно не занимается генетическими исследованиями, нелегко идти в ногу со временем. У меня есть некоторое высшее образование в области генетики, так что, по крайней мере, я достаточно понимаю язык, чтобы попытаться перевести последние исследования для широкой аудитории.
Многие читатели уже слышали о CRISPR – мощном методе изменения или подавления работы генов, который снижает стоимость и сложность, так что практически любая генетическая лаборатория может использовать этот метод. CRISPR на самом деле является лишь последним из нескольких мощных методов изменения генов, таких как TALEN. CRISPR – это, по сути, способ нацелиться на определенную последовательность ДНК, а затем доставить пакет, который что-то делает, например, соединяет ДНК. Но вам также нужно нацелиться на нужные клетки. В чашке Петри это просто. Но в живом организме это представляет собой серьезную проблему. Мы разработали несколько вирусных векторов, которые могут быть нацелены на определенные типы клеток, чтобы доставить CRIPR (или TALEN), который затем воздействует на определенную ДНК.
Теперь я хотел бы представить другой метод, о котором я ранее не писал, – альтернативный сплайсинг. Недавнее исследование показало, что в этой технологии достигнут значительный прогресс, поэтому сейчас самое время сделать обзор. “Альтернативный сплайсинг” относится к естественному генетическому явлению. Гены состоят из интронов и экзонов. Я всегда думал, что эта терминология противоречит здравому смыслу, но на самом деле экзоны – это часть гена, которая экспрессируется в белке. Интроны – это та часть, которая не экспрессируется, поэтому они вырезаются из гена, когда он преобразуется в мРНК, а экзоны сшиваются вместе, образуя последовательность, которая транслируется в белок. Альтернативный сплайсинг относится к тому факту, что способ удаления интронов и сшивания экзонов может варьироваться, создавая альтернативные формы получаемого белка. Это значительно увеличивает количество различных белков, которые могут кодироваться генами организма, поскольку каждый ген потенциально может кодировать несколько вариантов белка посредством альтернативного сплайсинга.
Альтернативный сплайсинг также может использоваться как метод контроля экспрессии генов в клетке. Это может быть использовано для научных исследований и, возможно, в терапевтических целях. В настоящее время это используется наряду с другим методом – доставкой экзогенного (извне) генетического материала в определенные клетки, а затем побуждением клеточного механизма по производству белка производить белки из введенного гена. Это та же базовая концепция, что и у мРНК-вакцин, которые вводят мРНК спайковых белков коронавируса COVID в мышечные клетки, которые затем превращают белки в стимуляторы иммунного ответа.
Метод, используемый в текущем исследовании, вводит “конструкцию” в клетки – эти конструкции являются либо вирусными, либо плазмидными, но, по сути, они содержат ген, который вы хотите, чтобы определенная популяция клеток экспрессировала в белок. Однако, как и в случае с CRISPR, вам необходимо нацелиться на нужный тип клеток, чтобы новый белок не вырабатывался повсеместно, вызывая нежелательные побочные эффекты. Для достижения этой цели используется несколько методов. Некоторые используют особенности поверхности определенных клеток, чтобы воздействовать на них с помощью вирусных или плазмидных белков. Вирусы обычно все равно это делают, поэтому вирусная инфекция поражает определенные типы клеток, а не другие. Кроме того, исследователи могут включить микроРНК в конструкцию, которая вводится в клетки и которая будет ингибировать экспрессию в нежелательных клетках. Эффективность этих методов в совокупности составляет около 5%, что означает, что экспрессия в значительной степени не является целевой.
Исследователи из Университета Джона Хопкинса, участвовавшие в текущем исследовании, разработали методику, позволяющую использовать альтернативный сплайсинг как способ воздействия на определенные типы клеток. Это связано с тем, что в некоторых типах клеток может происходить альтернативный сплайсинг, а в других – нет. На самом деле, именно этим клетки печени, например, часто отличаются от клеток селезенки – они экспрессируют разные гены, но также имеют разные схемы сплайсинга. В своем исследовании они использовали вирусный вектор (адено-ассоциированный вирус – AAV), поскольку он является безопасным и эффективным переносчиком. Однако у AAV есть ограничение по размеру, и многие генные конструкции намного больше, чем могут поместиться в вектор AAV.
Они использовали тот факт, что в настоящее время располагают обширной базой данных о генах, их экспрессии и альтернативном сплайсинге у многих видов. У нас также есть компьютерная мощность, позволяющая просматривать эти массивные наборы данных и находить потенциальные альтернативные последовательности сплайсинга, которые достаточно малы, чтобы поместиться внутри AAV. Таким образом, они смогли создать конструкцию, которая была нацелена на определенный тип клеток не только традиционными методами, но и с помощью специфических альтернативных схем сплайсинга. С помощью этой методики они смогли повысить свою специфичность с 5% до 50%.
Это значительно лучше, но все еще есть много возможностей для улучшения. Теперь вопрос в том, достаточно ли этих 50% для терапевтических целей? Это очень хорошо для исследований, и это само по себе невероятно полезно. Но не слишком ли много нецелевой экспрессии, чтобы побочные эффекты были слишком велики? Я подозреваю, что это зависит от предполагаемого применения.
Одним из возможных применений этой технологии является замена белков, отсутствующих в определенной популяции клеток из-за генетической мутации. Некоторые генетические заболевания возникают в результате таких отсутствующих белков, в то время как другие могут быть вызваны дисфункциональным или даже токсичным мутантным белком. Для тех, кто просто отсутствует (белок не вырабатывается вообще или только в крайне сокращенной и нефункциональной части), простое введение гена и последующее усиление его экспрессии может быть равносильно излечению. Если тот же белок вырабатывается в клетках, не являющихся мишенями, могут возникнуть побочные эффекты, но в зависимости от белка и его воздействия они могут быть минимальными.
Еще одно применение – нацеливание на раковые клетки и их уничтожение. Если для определенного типа рака характерен определенный альтернативный паттерн сплайсинга, на него можно воздействовать целенаправленно, и может быть введена конструкция, содержащая ген белка, который, по сути, убивает клетку. Конечно, побочные эффекты, вероятно, будут гораздо более серьезными при таком применении.
Это хорошее представление о цикле обратной связи, который в настоящее время работает в генетике. По мере того, как наши знания о генетике улучшаются, это дает нам более мощные инструменты для изучения самой генетики, что увеличивает наши знания и мощь наших инструментов, и цикл продолжается. Данное исследование – всего лишь один шаг в этом процессе.
