Научни новини: Молекулярни терапии, CRISPR и една златна къртица

Молекулярна терапия за молекулярно заболяване

Терминът „молекулярно заболяване“ е въведен през 1949 г. в статията „Сърповидноклетъчна анемия, молекулярно заболяване“. Сравнявайки хемоглобин от здрави и болни хора, учените установяват, че между двете форми има малка разлика в подвижността им в електрическо поле, което предполага промяна в аминокиселинния им състав. В същото издание на Science е публикуван и генеалогичен анализ, показващ наследствения характер на заболяването. Тези разработки се правят само няколко години след като ДНК е доказана като носител на наследствената информация и преди да бъде описана нейната структура.

Сърповидноклетъчната анемия (СКА) е генетично заболяване, при което червените кръвни телца се деформират и придобиват С-образна форма. Поради това те не могат да снабдяват добре организма с кислород и започват да се слепват едно за друго. Въпреки че са разработени поддържащи терапии, които намаляват риска от инфаркт, инсулт и други остри прояви на заболяването, и продължителността на живот на пациентите е увеличена значително, те все пак не живеят добре поради хронични пристъпи на остра болка, невъзможност за усилена физическа активност, бъбречна недостатъчност и др. Впечатляващото е, че всичко това е следствие от точкова мутация (промяната на нуклеотид) в ген, кодиращ един от протеините, които изграждат хемоглобин А. Това е като да се подмени една буква в първите три параграфа на тази статия.

Заболяването се проявява, когато дефектният ген е с две копия (хомозиготно състояние), получени от двамата родители. Интересен детайл е, че хората, носещи едно копие на дефектния ген (хетерозиготно състояние), имат повишена устойчивост към паразита, причиняващ малария. При заразяване червените кръвни телца се разпукват преждевременно, нарушавайки жизнения му цикъл. Счита се, че това е една от причините мутацията да се среща по-често в популации, където маларията е сериозен проблем, като Западна Африка и Индия.

Един от основните изводи в статията е нуждата от разработване на молекулярна медицина и 50 години по-късно това става реалност. Една от разновидностите ѝ са генните терапии, които бързо добиват популярност и вече има одобрени за редица заболявания. В общия случай при тях се използват вирусни вектори, които носят работеща версия на повреден ген, водещ до заболяване. Вирусите вмъкват работещата версия в генома на пациента и така възстановяват нормалното функциониране на организма. Механизмът е сходен с векторните ваксини, познати от пандемията от COVID-19. Може да се каже, че те, както и иРНК ваксините, също са вид молекулярна терапия.

В началото на месеца в САЩ одобриха Lyfgenia – генна терапия за пациенти, страдащи от СКА, базирана на използването на вирус носител. Терапията се прилага върху хематопоетични стволови клетки – те се намират в костния мозък и са отговорни за създаването на нови червени кръвни телца. След извличането им от пациента се третират с лентивирус, носещ леко променена версия на хемоглобин А, която функционира коректно. Получените генномодифицирани клетки следва да са абсолютно идентични с пациентските, с изключение на промяната в споменатия ген. Това почти премахва опасността от отхвърлянето им при обратната трансплантация. За съжаление, преди новите модифицирани клетки да бъдат върнати в пациента, всички стари трябва да бъдат премахнати. Това се извършва с помощта на висока доза химиотерапия, която унищожава стволовите клетки в костния им мозък.

Одобрението се базира на клинично изследване, включващо 32 пациенти, които са проследени за период между 6 и 18 месеца, като през това време 88% от тях не са имали пристъпи на болка. Съобщава се и за негативни ефекти, но те са свързани с химиотерапията и самото заболяване. Притеснителното е, че трима от пациентите са починали – един поради усложнения от заболяването, но при другите двама причината е остра форма на левкемия. Компанията изтъква, че пациентите с това заболяване са по-предразположени към развитие на злокачествени процеси, и споменава, че левкемията може да се дължи и на цялата процедура по трансплантиране. Починалите пациенти са били подложени на по-стара версия на терапията, при която производството и трансплантацията са извършени по различен начин. Въпреки тези обяснения Американската агенция по храните и лекарствата поставя знак за особено внимание върху продукта.

Добрата новина е, че има и алтернативна генна терапия, базирана на CRISPR. Името на продукта е Casgevy и е разработен от Vertex Pharmaceuticals Inc. в партньорство с швейцарската Crispr Therapeutics. В средата на ноември той беше одобрен в Обединеното кралство, а в началото на декември получи зелена светлина и в САЩ (заедно с Lyfgenia). Това е първата одобрена генна терапия, базирана на системата за генетични редакции.

Подходът е подобен – от пациента се изолират стволови клетки, които вместо на вирусна трансформация се подлагат на генна редакция с CRISPR. Така в клетките не се вмъква вирусният генетичен материал, а само се променя функцията на един ген, като в случая учените са избрали малко по-различен метод. Вместо да коригират функцията на хемоглобин А, те активират производството на хемоглобин F (фетален хемоглобин). Той се произвежда в ембриона от около шестата седмица на бременността до няколко месеца след раждането, когато бива изместен от хемоглобин А, срещан при възрастните. Превключването между двата вида хемоглобин става след активирането на един ген – BCL11A. Чрез дезактивирането му с помощта на CRISPR синтезът на хемоглобин F се възобновява. Въпреки че не е типичен за възрастните, той успява да компенсира действието на увредения хемоглобин А и намалява симптомите от СКА.

Интересното е, че терапията е приложима и при друго заболяване, причинено от мутация в хемоглобин А – бета-таласемия. И при нея хемоглобинът не функционира правилно и също се наблюдава анемия, която в най-острата си форма води до смърт. За момента подходът за поддържане на пациентите се изразява в чести кръвопреливания, които носят своите усложнения.

В клиничното проучване са включени 45 пациенти със СКА, 29 от които проследени за над 18 месеца. 28 от тях не са имали пристъпи на болка поне една година, след като са получили модифицираните клетки. Резултатите са добри и при пациентите с бета-таласемия. 39 от 42 не са имали нужда от кръвопреливане поне една година след терапията, а при останалите трима нуждата от трансфузия е спаднала със 70%. Страничните ефекти се припокриват с тези, причинени от химиотерапията. Пациентите продължават да бъдат наблюдавани за забавени негативни ефекти, както и за да се установи колко дълготрайно е действието на терапията.

Компанията, разработила Lyfgenia (Bluebird Bio Inc.), също има продукт, който може да се прилага за бета-таласемия – Zyngeglo. Механизмът му на действие е почти идентичен, като разликата е в модифицирания ген. Той получава одобрение в Европа през 2019 г., а в САЩ – през 2022 г. В началото на 2021 г., след фаталните случаи в клиничното изпитване за СКА, приложението му е спряно временно, но след преглед на наличната информация Европейската комисия по лекарствата дава становище, че няма доказателства за връзка между развиването на левкемия и терапията, и продуктът отново е разрешен.

Въпреки че се прилагат еднократно, и двете терапии не са евтини поради сложната процедура по трансплантация и обработка на стволовите клетки. Цената за Lyfgenia е 3,1 млн. долара, а за Casgevy е с около 40% по-ниска – 2,2 млн. Куриозното е, че въпреки очаквания скок след полученото одобрение от Комисията по храните и лекарствата акциите и на двете компании са спаднали.

Преди разработването на тези терапии единствената възможност за облекчаване на заболяването е била трансплантацията на костен мозък от здрав донор. За съжаление, откриването на съвместими донори е рядко и процедурата за извличане на костен мозък включва сравнително тежка операция. Въпреки недостатъци си новите терапии имат огромен потенциал да са по-щадящи и надеждни. Най-вероятно ще бъдат подобрени, и то за много по-кратко време от 70-те години, изминали от установяването на причината за заболяването до възможността за модифициране на единични бази в ДНК на пациентите.

Сходно мнение изказва и една от откривателките на CRISPR – нобеловата лауреатка Дженифър Даудна. В интервю за WIRED тя споделя, че тези терапии ще стават все по-неинвазивни и въпреки че в момента може да ни се струва като фантастика, най-вероятно в бъдеще ще се приемат под формата на таблетка.

CRISPR е многолик и навсякъде

Както вече сме споменавали, всички организми оставят издайнически следи под формата на ДНК в околната среда (environmental DNA). При микроорганизмите това е малко по-различен процес, тъй като те просто се отлагат по повърхностите, от които се вземат проби. Въпреки това наличието им в събрания материал може да бъде много интересно. Не само за определяне на разпространението им и за следене на потенциални огнища на заболявания, но и за откриване на нови или слабо познати видове. Поради все по-голямата достъпност на услугите за секвениране броят на секвенирани проби расте. В комбинация с огромния брой микроорганизми около нас, които попадат в пробите, се стига до главоломно нарастване на микробиални ДНК секвенции в базите данни. Така обработването и търсенето на интересни фрагменти в тях става все по-сложна задача за биоинформатиците.

За справяне с този проблем екип от Масачузетския технологичен институт предлага нов подход, базиран на алгоритми, които се използват и в момента. Първо последователностите се отделят в обособени групи, които са съставени от секвенции с висока сходност. След това групите се сравняват една с друга, което помага за откриване на взаимовръзки и еволюционни промени. По този начин се използват предимствата и на двата алгоритъма, като се избягват недостатъците им – трудното откриване на прилика между участъци с по-малка сходност на първия и по-бавната работа на втория.

С помощта на този алгоритъм се откриват 188 нови системи, в които CRISPR взема участие. Във формата, използвана в съвременните биотехнологии, той най-често е свързан с Cas9 – ензим, който има способността да реже молекулата на ДНК. Но към него може да се прикачат редица други молекули. Лабораторно разработен вариант е комплексът от CRISPR и флуоресцентно багрило, позволяващ да се „освети“ строго специфичен участък от ДНК, което може да е полезно при определяне на точното му местоположение в клетките. Но природата разполага с много по-богато въображение.

Част от описаните варианти имат ензим, който може да реже РНК вместо ДНК. При други ензимът е от групата на транспозазите – те имат способността да „преместят“ участък ДНК от едно място на друго в генома. Тези комбинации не са непознати, но откриването на нови примери показва, че разнообразието най-вероятно е голямо. Интересна изненада е вирусен протеин, който може да се свърже с CRISPR и да го дезактивира, като така блокира защитната система на бактериите.

Както отбелязват авторите, тези открития могат да бъдат изключително ценни за биотехнологиите и да дадат път на нови терапии или да бъдат приложени в земеделието и да са от помощ за намаляване на ефекта от глобалните климатични промени. Откритията също показват колко ценно може да бъде събирането и секвенирането на ДНК от околната среда.

Напредъкът в технологиите за секвениране и биоинформатичната обработка на данните разкриват нови хоризонти пред нас и постоянно ни носят изненади за света, който ни заобикаля. А понякога дават шанс за разплитането на почти столетни мистерии.

Златна изненада под пясъка

Къртицата на Де Уинтън принадлежи към семейство Златни къртици и е ендемична за западните брегове на Южна Африка. За последен път такава къртица е била забелязана през 1937 г., което ѝ осигурява място в списъка на критично застрашени или предполагаемо изчезнали видове. Като цяло това не е чак толкова учудващо – бозайникът е с размер на мишка и козината му е пясъчнозлатиста, поради което се открива трудно.

За да проверят дали могат да го намерят, екип учени решава да използва ДНК, събрана от околната среда. Най-лесният начин да се открият къртиците е да се намерят техните къртичини. За съжаление, това не е така за хората, защото в повечето случаи леговищата трудно се забелязват на повърхността. На помощ се притичва куче търсач на име Джеси, което насочва изследователите. Щом намерят къртичините, учените вземат от тях почвени проби, от които е изолирана ДНК и после я сравняват с известните секвенции на представители на семейството. Това не е лесна задача, защото в него има видове, които се срещат по-често, и повечето сигнали са от тях. Но в данните учените откриват златна нишка – митохондриална ДНК, която съвпада с тази на къртицата на Де Уинтън. 

Учените не само доказват, че видът все още се среща, но и определят сравнително широк ареал на обитание, който обаче има малък брой представители. Откритието е повод за радост, но също така насочва вниманието към неотложната нужда от по-задълбочени проучвания на местността. Новооткритата популация е застрашена както от предполагаемо ограничения брой индивиди, така и от дейността на човека – в района активно се добиват диаманти, което е причина за разрушаване на множество екосистеми.

Водещо изображение: Chrysochloris holosericea – рисунка от колекцията на Университета в Амстердам. Източник: Wikimedia Commons