Naukowcy znaleźli nowy sposób na edycję jednoliterowych mutacji w DNA, oferując potencjalne lekarstwo na niektóre choroby genetyczne. Chociaż ludzkie życie jest solidne, czasami może być kruche. W przypadku osób cierpiących na choroby takie jak mukowiscydoza i anemia sierpowata, ich choroba jest spowodowana zmianą tylko jednej litery DNA.

DNA składa się tylko z czterech liter, zwanych zasadami: A, T, G i C. Niewielka zmiana lub mutacja może spowodować, że DNA zbuduje niewłaściwe białka w organizmie. Teraz naukowcy znaleźli nowy sposób na edycję tych instrukcji DNA. Zespół z Gladstone Institutes połączył istniejące technologie w sposób, w jaki nikt wcześniej tego nie zrobił, uzyskując zupełnie nowe wyniki.

Jeden na tysiąc

DNA nie jest trudne do edycji, ale kiedy naukowiec próbuje edytować partię komórek w laboratorium, tylko nieliczne faktycznie akceptują zmiany. "Problem, przed którym stoimy, polega na tym, że kiedy edytujemy DNA i zmieniamy pojedynczą zasadę w genomie jednej komórki, jest to z natury rzadkie zdarzenie" - wyjaśnił Bruce Conklin, starszy badacz w Gladstone Institutes. "To tylko jedna komórka na tysiąc".

Dla większości celów badawczych nie stanowi to problemu. Oprócz dokonania pożądanej edycji DNA, naukowiec może również dodać 300-bazowy fragment DNA, który czyni go odpornym na antybiotyki. Następnie dawkują zmutowane kultury komórkowe antybiotykami, zabijając wszystkie komórki, które oparły się edycji. "Przeżywają tylko te, które mają ten znacznik" - powiedział Conklin.

Jeśli naukowiec dodaje lub odejmuje całe geny, które mogą mieć setki lub tysiące zasad, dodanie 300 dodatkowych zasad nie robi dużej różnicy. Ale w przypadku mutacji pojedynczych liter, dodanie tak wielu dodatkowych liter może zmienić sposób, w jaki zachowuje się DNA.

"Jeśli chcesz skorygować mutację genetyczną, nie chcesz pozostawiać tego DNA, które było używane jako marker do identyfikacji komórek" - powiedział Conklin. "Ze względów praktycznych właśnie w ten sposób stworzyliśmy myszy transgeniczne i wszystko inne. Jednak w miarę jak dążymy do korygowania lub modelowania ludzkich chorób, wzrasta pragnienie dokładnego odtworzenia choroby lub stanu zdrowia, w zależności od tego, co badamy".

Cztery techniki, jeden cel

"To, co zrobiliśmy, to po prostu zmiana tej jednej litery i próba znalezienia sposobu na identyfikację tych komórek bez dodawania tego dodatkowego akapitu" - powiedział Conklin.

Po pierwsze, wykorzystali technikę edycji genetycznej o nazwie TALEN do przecięcia nici DNA zawierającej sekcję, którą chcą edytować. "Cięcia są wykonywane w taki sposób, że gdy komórki je naprawiają, ta jedna zasada jest zmieniana z niewłaściwej litery, która powoduje, że dana osoba jest chora, na właściwą literę, która poprawiłaby jej stan" - wyjaśnił Conklin. Technika ta daje jednak wyniki tylko w jednej komórce na 1000.

Po zakończeniu edycji zespół musiał wyhodować nową edycję w żywych komórkach. Byli szczególnie zainteresowani indukowanymi pluripotencjalnymi komórkami macierzystymi (komórkami iPS), które można wytworzyć z dojrzałych komórek dowolnej osoby. "Hodowla komórek iPS była tradycyjnie bardzo trudna i żmudna, ale udało nam się opracować warunki hodowli w taki sposób, że stały się one znacznie [łatwiejsze] do wyhodowania" - powiedział Conklin.

Następnie podzielili komórki na 96 różnych dołków hodowlanych, z zaledwie 2000 komórek w każdym dołku, i pozwolili komórkom rosnąć i rozmnażać się. Następnie, stosując technikę zwaną selekcją rodzeństwa, oddzielili około 30 procent komórek z każdej studzienki do testów za pomocą narzędzia zwanego cyfrowym PCR kropelkowym.

Po zidentyfikowaniu, w których studzienkach wzrostu znajdowały się komórki, które przyjęły nową mutację, podzielili najlepszą studzienkę i zasiali 96 nowych studzienek. Zamiast 0,05 do 0,1% komórek w każdej studzience z mutacją, jak w pierwszej rundzie, około 1% komórek w drugiej rundzie było nosicielami mutacji. W trzeciej rundzie 30 do 40 procent komórek było mutantami.

"Czasami w trzeciej rundzie mamy prawie czystą populację" - powiedział Conklin. "Zwiększyło to dziesięcio- lub nawet stukrotnie naszą zdolność do dokonywania zmian pojedynczych zasad".

Złoty wiek edycji genów

Conklin jest podekscytowany zastosowaniami swojej nowej metody. "Uzyskanie zmiany pojedynczej zasady, tak jak robimy to rutynowo, było niemal herkulesowe" - powiedział.

Ma nadzieję, że technika ta zostanie wkrótce wykorzystana do leczenia, a nawet wyleczenia chorób genetycznych. "To nie jest takie odległe" - powiedział. "Prowadzone są już badania kliniczne nad wykorzystaniem komórek iPS do przeszczepów u ludzi. Jeśli miałbym mieć chorobę genetyczną, a ktoś miałby stworzyć nową tkankę i mi ją oddać, wolałbym, aby choroba genetyczna została skorygowana".

Na przykład, powiedział Conklin, istnieje choroba genetyczna, która powoduje ślepotę, a obecnie trwają badania kliniczne mające na celu pobranie komórek skóry niewidomego pacjenta, przekształcenie ich w komórki iPS i wstrzyknięcie ich do siatkówki jego oka w celu wyhodowania nowej, zdrowej siatkówki. Korzystając z techniki Gladstone Institutes, naukowcy mogliby skorygować wadę genetyczną, dzięki czemu nowa siatkówka byłaby zdrowa i nie ulegałaby degradacji w miarę upływu czasu. Naukowcy uważają, że ciało pacjenta nie odrzuciłoby nowej siatkówki, ponieważ jest ona wykonana z własnych komórek pacjenta.

Conklin przyznaje, że proces zmiany kodu DNA nigdy nie będzie prosty. "To będzie bardzo kosztowne i skomplikowane. To nie jest łatwy proces" - powiedział. Pozostaje jednak optymistą.