Νέο εργαλείο επεξεργασίας του DNA. A step forward in DNA base editing

Θα ενισχύσει τις προσπάθειες πρόληψης κληρονομικών και άλλων γενετικών παθήσεων. Harvard and Broad Institute researchers have developed a DNA base editor that transforms A•T base pairs into G•C base pairs, and could one day be used to treat many common genetic diseases. Credit: Susannah Hamilton

Επιστήμονες στις ΗΠΑ ανακοίνωσαν ότι ανέπτυξαν ένα βελτιωμένο «εργαλείο» επεξεργασίας του γονιδιώματος, που επιτρέπει την επιλεκτική και άμεση τροποποίηση και επιδιόρθωση μεμονωμένων «γραμμάτων» (βάσεων) στο ανθρώπινο DNA. Κάτι ανάλογο πέτυχε μια άλλη επιστημονική ομάδα με το συγγενικό και επίσης ζωτικό μόριο του RNA, χωρίς να απαιτείται έτσι επέμβαση στο γονιδίωμα.

Τα μεμονωμένα γενετικά ελαττώματα ευθύνονται περίπου για τις μισές μεταλλάξεις που σχετίζονται με ασθένειες, από την εκ γενετής τύφλωση και τη δρεπανοκυτταρική αναιμία ως την κυστική ίνωση και διάφορες μεταβολικές διαταραχές. Ο νέος «επεξεργαστής βάσεων» (base editor) αναμένεται να διευκολύνει τις θεραπευτικές «χειρουργικές» παρεμβάσεις στο γονιδίωμα των ασθενών.

Οι μηχανές

An adenine base editor changes an A to I and nicks DNA to induce the cell to convert I to G and T to C. 3' and 5' are DNA termini. Editor is more efficient than CRISPR at single-base changes and makes fewer unwanted alterations.  Credit: Adapted from Nature.

Η μέθοδος βασίζεται σε μοριακές «μηχανές» πρωτεϊνών (ένζυμα), που είναι δυνατό να προγραμματισθούν κατάλληλα, ώστε να αναδιατάξουν τα άτομα μιας βάσης DNA, δημιουργώντας έτσι μια διαφορετική βάση μέσα στο γονιδίωμα των ζωντανών κυττάρων. Με αυτό τον τρόπο, μπορούν να αντικατασταθούν ξεχωριστά και επιλεκτικά και οι τέσσερις βάσεις του DNA, χωρίς να προξενηθεί ζημιά στο «μόριο της ζωής». Η διπλή έλικα του DNA αποτελείται από τέσσερις αζωτούχες χημικές βάσεις ή «γράμματα»: την αδενίνη (A), τη γουανίνη (G), την κυτοσίνη (C) και τη θυμίνη (Τ). Μέχρι τώρα οι επιστήμονες ήσαν ικανοί να μετατρέπουν τα ζεύγη βάσεων G-C σε Τ-Α.

Τα ζεύγη

With the arrival of a new class of single-nucleotide editors, researchers can target the most common type of pathogenic SNP in humans. ISTOCK, BEHOLDINGEYE

Με τη νέα μέθοδο, που έχει την ονομασία "Adenine Base Editor" (ABE), είναι δυνατό να μετατραπούν επίσης τα ζεύγη Α-Τ σε G-C. Σχεδόν οι μισές από τις συνολικά περίπου 32.000 παθογόνες μεταλλάξεις σε κάποια βάση ή σε ζεύγος βάσεων αφορούν την μετατροπή ενός ζεύγους G-C σε Α-Τ. Η νέα τεχνική προσφέρει τη δυνατότητα να διορθωθεί το πρόβλημα, με την επαναφορά του ζεύγους A-T σε G-C. Με οδηγό ένα μόριο RNA και με τη βοήθεια μιας τροποποιημένης τεχνικής CRISPR-Cas9, η νέα μέθοδος αρχικά αναδιατάσσει τα άτομα στη βάση αδενίνη (Α), ώστε αυτή να μετατραπεί σε γουανίνη (G). Στη συνέχεια, τα κύτταρα καθοδηγούνται να ολοκληρώσουν και να μονιμοποιήσουν την αλλαγή, ώστε όλο το ζεύγος Α-Τ να γίνει G-C. To νέο γενετικό εργαλείο είναι πιο ακριβές από την τεχνική CRISPR. Όπως είπαν οι ερευνητές, «το CRISPR είναι σαν ψαλίδι, αλλά οι επεξεργαστές βάσεων μοιάζουν με μολύβια».

Τα πειράματα έδειξαν ότι το νέο γενετικό εργαλείο δουλεύει τόσο σε κύτταρα βακτηρίων όσο και ανθρώπων. Στα ανθρώπινα κύτταρα μέχρι στιγμής η αποτελεσματικότητά του είναι της τάξης του 50%, δηλαδή μπορεί να διορθώσει την μετάλλαξη στις μισές περίπου περιπτώσεις. Το ποσοστό αυτό είναι υψηλότερο από άλλες μεθόδους επεξεργασίας των βάσεων του γονιδιώματος που υπάρχουν σήμερα, ενώ η νέα τεχνική δεν φαίνεται να έχει σχεδόν καθόλου ανεπιθύμητες παρενέργειες (π.χ. τυχαίες διαγραφές ή προσθήκες στο DNA).

Η τεχνική

First authors Holly Rees (left), David Liu, and Nicole Gaudell. Photo by Casey Atkins

Οι ερευνητές του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ και του κοινού με το ΜΙΤ Ινστιτούτου Broad, με επικεφαλής τον καθηγητή χημείας και μοριακής βιολογίας Ντέηβιντ Λίου, που έκαναν τη σχετική δημοσίευση στην επιθεώρηση «Nature», χρησιμοποίησαν τη νέα τεχνική για να θεραπεύσουν μια κληρονομική πάθηση που οδηγεί σε επικίνδυνη αύξηση των επιπέδου σιδήρου στο αίμα. Δήλωσαν πάντως ότι θα χρειασθούν περαιτέρω έλεγχοι για την ασφάλεια και αποτελεσματικότητα της νέας τεχνικής, προτού αξιοποιηθεί κλινικά για τη θεραπεία γενετικών παθήσεων.

Τροποποίηση του RNA

Scientists extend the capabilities of the CRISPR-Cas system to include precise manipulations of RNA sequences in human cells. A new “REPAIR” system edits RNA, rather than DNA. Image: Broad Communications, Susanna M. Hamilton

Σε μια συναφή εξέλιξη, επιστήμονες στις ΗΠΑ τροποποίησαν την ισχυρή τεχνική γενετικής επεξεργασίας CRISPR, ώστε να είναι η εφικτή πλέον η τροποποίηση όχι μόνο του DNA αλλά και του «ξαδέρφου» του, του μορίου RNA, του «αγγελιαφόρου της ζωής», το οποίο μεταφέρει τις εντολές των γονιδίων για τη δημιουργία των πρωτεϊνών. Η τροποποίηση του RNA αντί του DNA, η οποία επιτρέπει να γίνονται μεταβολές στα προϊόντα των γονιδίων, χωρίς να αλλάζουν τα ίδια τα γονίδια, δίνει σημαντικά πλεονεκτήματα και πρόσθετες δυνατότητες για την θεραπεία των γενετικών παθήσεων, μέσω επέμβασης σε μεταλλάξεις που προκαλούνται στο επίπεδο του RNA.

Οι ερευνητές, με επικεφαλής τον μοριακό βιολόγο Φανγκ Ζενγκ του Ινστιτούτου Broad των πανεπιστημίων Χάρβαρντ και ΜΙΤ, που έκαναν τη σχετική δημοσίευση στην επιθεώρηση «Science», χρησιμοποίησαν τη νέα τεχνική για να θεραπεύσουν μια κληρονομική μορφή αναιμίας στα ανθρώπινα κύτταρα. Οι επιστήμονες ανέφεραν ότι η μέθοδός τους με την ονομασία REPAIR (RNA Editing for Programmable A to I Replacement), που τροποποιεί επιμέρους «γράμματα» του RNA, έχει αποτελεσματικότητα της τάξης του 20% έως 40%, αλλά σε μερικές περιπτώσεις αγγίζει και το 90%.

Πηγές: Nicole M. Gaudelli et al, Programmable base editing of A•T to G•C in genomic DNA without DNA cleavage, Nature (2017). DOI: 10.1038/nature24644 - http://science.sciencemag.org/content/early/2017/10/24/science.aaq0180.full - http://www.tovima.gr/science/medicine-biology/article/?aid=910678