РНК может «перепрыгнуть» стоп-мутацию и вернуть клетке полноценный белок

В моделях муковисцидоза инженерная тРНК восстановила CFTR и сделала клетки чувствительными к Trikafta

Иногда генетическая болезнь возникает не потому, что клетка совсем не знает, какой белок ей нужен. Инструкция почти цела — но внутри неё появляется ошибочный сигнал «СТОП».

Рибосома, молекулярная машина, собирающая белок по инструкции матричной РНК, воспринимает этот сигнал буквально. Она прекращает работу раньше времени. Вместо полноценного белка получается укороченная молекула или белок вообще практически не образуется.

Команда Университета Торонто попыталась вмешаться не в саму ДНК, а в этот момент чтения инструкции.

Одна буква может поставить точку посреди генетической инструкции

Чтобы понять идею исследования, полезно представить процесс синтеза белка как чтение предложения по три буквы.

Каждая такая тройка — кодон — сообщает клетке, какую аминокислоту добавить следующей. Транспортные РНК, или тРНК, работают здесь как молекулярные курьеры: каждая распознаёт определённый кодон и приносит к рибосоме нужную аминокислоту.

Но существуют и специальные стоп-кодоны. Они означают: белок закончен.

При нонсенс-мутации обычный кодон превращается в стоп-сигнал раньше положенного срока. Рибосома останавливается посреди работы.

Такие мутации встречаются при множестве наследственных заболеваний. По оценкам, они лежат в основе примерно 11% наследственных генетических нарушений. Это не одна болезнь и даже не один орган: преждевременный стоп-сигнал может возникнуть в генах, важных для лёгких, мышц, нервной системы и других тканей.

Именно здесь исследователи увидели возможность для более универсальной стратегии.

Инженерная тРНК говорит рибосоме: «продолжай»

Учёные создали так называемые suppressor tRNA — модифицированные транспортные РНК, способные распознавать преждевременный стоп-кодон.

Вместо того чтобы позволить рибосоме завершить синтез, такая тРНК доставляет аминокислоту. Рибосома проходит ошибочный сигнал и продолжает собирать белок.

Важно, что это принципиально отличается от редактирования генома.

ДНК пациента не переписывается. Ошибочная мутация остаётся на месте. Технология вмешивается позже — на этапе превращения генетической инструкции в белок.

Именно поэтому подход потенциально интересен сразу для многих заболеваний. Если разные мутации в разных генах создают один и тот же тип преждевременного стоп-сигнала, теоретически можно воздействовать на общий механизм, а не создавать полностью отдельную технологию для каждой конкретной мутации.

Это и есть главный интеллектуальный поворот исследования: мишенью становится не столько определённый ген, сколько тип ошибки при чтении генетической информации.

Но заставить тРНК работать оказалось недостаточно

Сама идея suppressor tRNA существует не первый год. Проблема заключалась в превращении красивого молекулярного механизма в потенциальное лекарство.

Транспортная РНК должна достаточно долго сохраняться в организме, эффективно взаимодействовать с клеточной системой синтеза белка и попасть именно туда, где она нужна.

Команда решила сразу две задачи.

Во-первых, исследователи добавили к тРНК химическую модификацию, аналогичную тем, которые встречаются в природных РНК. Она сделала молекулы более активными и устойчивыми.

Во-вторых, учёные разработали липидные наночастицы специально для доставки тРНК. Это те же общие принципы упаковки РНК в жировую оболочку, которые получили широкую известность благодаря мРНК-вакцинам, но транспортную систему пришлось адаптировать под другой тип РНК.

Без доставки даже очень эффективная молекула остаётся лабораторным инструментом. В этой работе система доставки стала одной из ключевых частей технологии.

Как tRNA-терапия сработала в моделях муковисцидоза

В качестве испытательного полигона исследователи выбрали муковисцидоз.

Болезнь вызывают мутации в гене CFTR. Этот ген кодирует белок-канал, регулирующий перенос ионов через клеточную мембрану. Если CFTR отсутствует или работает неправильно, нарушается движение соли и воды, а секрет в дыхательных путях и других органах становится густым.

Современные препараты-модуляторы CFTR, включая Trikafta, радикально изменили лечение многих пациентов. Но для их действия обычно нужен белок CFTR, на который препарат может воздействовать.

При некоторых нонсенс-мутациях проблема фундаментальнее: полноценный белок практически не успевает образоваться.

Исследователи проверили модифицированную тРНК в клетках дыхательных путей человека с двумя распространёнными нонсенс-мутациями CFTR. Производство полноразмерного белка восстановилось, и главное — этот белок выполнял свою функцию.

В лабораторных условиях эффект сохранялся более 40 дней.

Эта цифра выглядит впечатляюще, но её нельзя переносить непосредственно на будущих пациентов: речь идёт о экспериментальных моделях, а не о доказанной длительности действия лекарства после введения человеку.

Самый показательный эксперимент начался с пациента, которому Trikafta не помогала

Особенно интересной оказалась работа с тканью пациента со сложным вариантом CFTR: в генотипе присутствовали четыре мутации, две из которых были нонсенс-мутациями.

Существующая терапия у этого пациента не работала.

Из ткани создали органоиды — миниатюрные трёхмерные модели органа, сохраняющие часть свойств клеток конкретного человека.

Затем исследователи проверили два вмешательства.

Модифицированная тРНК сама по себе дала небольшой эффект. Trikafta отдельно тоже практически не помогала.

Но при их сочетании клетки ответили.

Объяснение здесь особенно наглядно. Инженерная тРНК позволила клетке снова создать полноразмерный CFTR. После этого у Trikafta появилась молекулярная мишень, на которую препарат уже мог воздействовать.

То есть новая технология в данном случае не просто пыталась заменить существующее лекарство. Она потенциально могла сделать существующее лечение работоспособным там, где раньше необходимого белка почти не было.

Почему речь идёт не только о муковисцидозе

Нонсенс-мутации встречаются в тысячах генетических заболеваний. Среди них есть отдельные формы мышечных и неврологических болезней, муковисцидоза и других наследственных состояний; похожий механизм может иметь значение и для некоторых опухолевых мутаций.

Отсюда возникает привлекательная идея: вместо разработки уникального метода для каждой отдельной мутации можно создать набор тРНК, распознающих несколько типов преждевременных стоп-кодонов.

Но это не означает появления «одного лекарства от тысяч болезней».

Разные заболевания поражают разные органы. Доставить РНК в эпителий дыхательных путей — одна задача. Доставить её в мышцы, мозг или другую ткань — совсем другая.

Кроме того, даже одинаковый тип стоп-кодона находится в разном молекулярном окружении, а восстановленный белок должен не просто появиться, но правильно складываться, попадать в нужное место клетки и выполнять свою функцию.

Поэтому универсальным может оказаться принцип. Конкретные препараты, вероятно, всё равно придётся адаптировать к заболеваниям и органам.

Главный вопрос теперь — насколько точно можно обходить неправильные стоп-сигналы

Существует ещё одна фундаментальная проблема.

Стоп-кодоны нужны организму. В нормальном конце гена они сообщают рибосоме, где действительно необходимо завершить производство белка.

Поэтому будущая терапия должна достаточно эффективно преодолевать патологические преждевременные стоп-сигналы, не нарушая нормальное завершение синтеза других белков.

Не менее важны доставка, возможная иммунная реакция, оптимальная доза, длительность действия и последствия повторных введений.

Исследование показывает, что химическая модификация тРНК и специально подобранные липидные наночастицы позволяют приблизиться к решению части этих проблем. Но клеточные культуры, мыши и органоиды остаются доклиническими моделями.

Следующий принципиальный рубеж — доказать, что технология достаточно безопасна, воспроизводима и эффективна для испытаний у людей.