V nedávném převratném článku v Nature vědci představili syntetické regulační sekvence, které mohou zabránit nežádoucím účinkům genových terapií v buňkách, na které tyto terapie nejsou zaměřeny. Tento objev může zásadně změnit způsob, jakým bude probíhat léčba pomocí genové terapie, a přiblížit nás tak k cílenější a bezpečnější léčbě.
Více než methylace
Zatímco methylace je známým regulátorem genové exprese, existují i další faktory, které rozhodují, kdy a kde se určitý gen projeví. Mezi ně patří cis-regulační elementy (CREs), které se nacházejí poblíž oblastí DNA, které řídí expresi genů specifických pro každý buněčný typ. CREs sice nepřenášejí kód pro tvorbu proteinů, ale mají zásadní význam pro epigenomické procesy.
Zatímco manipulace s již existujícími CREs u geneticky upravených buněk je známou technikou, nelze vždy spoléhat na to, že přírodní CREs budou ideální pro terapeutické využití. Před deseti lety začali vědci zvažovat, zda by nebylo možné CREs cíleně navrhnout a tím získat přesnější kontrolu nad jejich funkcí. Tento pokrok by mohl znamenat obrovské zlepšení účinnosti genových terapií, které v současnosti nejsou pro klinické použití dostatečně přesné.
Nový algoritmus s reálnými dopady
Zatímco dosavadní výzkum se zaměřoval na epigenetické dopady CREs, tento nový přístup použil technologii MPRA, která přesně měří přímé účinky každého CRE. Vědci vyvinuli model Malinois, který analyzuje sekvence z buněčných linií kostní dřeně, jater a nervových buněk. Malinois dokázal úspěšně předpovědět aktivitu více než šedesáti tisíc přirozeně se vyskytujících CREs a jeho předpovědi byly v souladu s experimentálními výsledky u všech tří typů buněk.
Model Malinois je však pouze prediktivní algoritmus. K vytvoření nových CRE sekvencí vědci vyvinuli nástroj CODA (Computational Optimization of DNA Activity), který spolupracuje s více algoritmy a vytváří sekvence zacílené na maximální účinek v jednom konkrétním buněčném typu a minimální vliv na další dva.
Výsledky testů a syntetické sekvence
Na začátku algoritmus přitahovaly určité opakující se motivy, což vedlo k vytvoření 36 000 podobných sekvencí. Po úpravě algoritmu, aby se zabránilo opakování, vytvořil CODA dalších 15 000 sekvencí, které byly porovnány s 12 000 přirozenými sekvencemi. Ukázalo se, že syntetické sekvence jsou specifičtější a mají větší vliv než přirozené. Syntetické CREs navíc dokázaly nejen aktivovat geny v požadovaných buňkách, ale také potlačit aktivaci v nesprávných cílových typech buněk.
Testování na živých organismech
Pro ověření výsledků vědci aplikovali genové terapie s těmito syntetickými CREs na živé embryo rybky zebřičky a myši. Ukázalo se, že genové terapie byly v těchto zvířatech vysoce specifické vůči cílovým typům buněk jak před narozením, tak po něm.
Tento průlom přináší velkou naději pro budoucí výzkum genových terapií. S použitím těchto syntetických sekvencí by mohlo být možné zabránit negativním vedlejším účinkům v buňkách, kde by expresi nebyla žádoucí. Tento objev tak nabízí nové možnosti léčby věkem podmíněných onemocnění a jiných genetických poruch.
Literatura
- Donohue, L. K., et al. (2022). A cis-regulatory lexicon of DNA motif combinations mediating cell-type-specific gene regulation. Cell genomics, 2(11).
- Levo, M., & Segal, E. (2014). In pursuit of design principles of regulatory sequences. Nature Reviews Genetics, 15(7), 453-468.
- Deverman, B. E., et al. (2018). Gene therapy for neurological disorders: progress and prospects. Nature Reviews Drug Discovery, 17(9), 641-659.
- Movva, R., et al. (2019). Deciphering regulatory DNA sequences and noncoding genetic variants using neural network models of massively parallel reporter assays. PLoS One, 14(6), e0218073.
- de Almeida, B. P., et al. (2024). Targeted design of synthetic enhancers for selected tissues in the Drosophila embryo. Nature, 626(7997), 207-211.