Badacze zaprojektowali mini-gen, który w przyszłości może dać skuteczną terapię genową zespołu Ushera typu 1F.
Zespół kierowany przez naukowców z Harvard Medical School, Massachusetts Eye and Ear i Ohio State University (USA) zrobił pierwszy ważny krok w kierunku opracowania skutecznej terapii w walce z zespołem Ushera typu 1F. Badania, które naukowcy prowadzili na myszach, wykazały, że opracowany przez nich mini-gen zwiększa produkcję białka, którego brak przyczynia się do głuchoty i postępującej utraty wzroku w Usher 1F. Wyniki swoich badań opisali w „Nature Communications”.
Zespół Ushera typu 1F jest rzadką, ale ciężką chorobą genetyczną, która powoduje głuchotę, brak równowagi i postępującą ślepotę. Naukowcy zaprojektowali skróconą wersję genu, aby zastąpić gen zmutowany w Usher 1F. Po zastosowaniu mini-genu u myszy zwiększyła się produkcja brakującego białka, które umożliwia komórkom rzęsatym wyczuwanie dźwięku.
– Pacjenci z Usher 1F rodzą się z głębokim ubytkiem słuchu i postępującą utratą wzroku. Do tej pory byliśmy w stanie zaoferować bardzo niewiele – zauważa współautor badania Artur Indzhykulian, adiunkt HMS otolaryngologii, chirurgii głowy i szyi w Mass Eye and Ear (USA).
Naukowcy z laboratorium Corey od dawna interesują się rolą protokadheryny-15 w uchu wewnętrznym. W szczególności chcieli wiedzieć, w jaki sposób białko pomaga receptorom czuciowym, zwanym komórkami rzęsatymi, przekształcać wibracje ze środowiska w sygnały elektryczne, które mózg interpretuje jako dźwięk.
Zespół Coreya odkrył, w jaki sposób protokadheryna-15 współpracuje z innym białkiem, kadheryną 23, w komórkach rzęsatych, tworząc włókna, które fizycznie ciągną otwarte kanały jonowe, gdy wiązki wibrują, umożliwiając prądowi elektrycznemu wejście do komórek. W przypadku braku tego białka prąd elektryczny nie może dostać się do komórek rzęsatych, konwersja z wibracji na elektryczność nie występuje, a mózg nie może wykryć dźwięku.
Następnie naukowcy zainteresowali się zaprojektowaniem terapii genowej dla Ushera 1F. Terapia wprowadziłaby DNA kodujące protokadherynę-15 do komórki, umożliwiając komórce rozpoczęcie wytwarzania białka. Ponieważ jednak protokadheryna-15 jest tak duża, że jej DNA jest zbyt rozbudowane dla typowej kapsułki wirusowej używanej do transportu materiału genetycznego do komórki, naukowcy postanowili wykorzystać inną opcję: skrócić DNA i stworzyć mini-gen, który nadal koduje funkcjonalne białko, ale jest wystarczająco mały, aby zmieścić się w kapsułce wirusowej.
Pierwszy krok polegał na skrupulatnym mapowaniu wszystkich 25 000 atomów w zewnętrznej strukturze protokadheryny ucha wewnętrznego-15. Zrobił go zespół współautora badania Marcosa Sotomayora, byłego pracownika naukowego w HMS, a obecnie profesora chemii i biochemii w Ohio State (USA). Korzystając z kombinacji krystalografii rentgenowskiej i mikroskopii krioelektronowej, Sotomayor odkrył, że białko składa się z atomów ułożonych w coś, co wygląda jak 11 ogniw w łańcuchu. Następnie stworzył osiem różnych wersji protokadheryny-15, z których każda ma inne ogniwa, aby białko było mniejsze.
– Wiedza, którą zdobyliśmy, badając strukturę protokadheryny-15 w rozdzierających szczegółach, pozwoliła nam znacznie szybciej zaprojektować krótsze wersje białka do terapii genowej – wyjaśnił Sotomayor.
Główna autorka badania Maryna Ivanchenko, wykładowca neurobiologii w HMS, intensywnie testowała trzy mini geny w uszach myszy. Ostatecznie okazało się, że działał tylko jeden z nich. Testy słuchowe myszy, które otrzymały mini-gen, wykazały, że ich mózgi mogą odbierać sygnał dźwiękowy pochodzący z uszu – głuche wcześniej zwierzęta mogły teraz słyszeć. – Wszyscy byliśmy mile zaskoczeni – powiedział Corey. – Myśleliśmy, że zajmie to lata prób, ale ta jedna wersja prawie zadziałała – zauważa.
– Wyniki były dla nas ekscytujące – dodała Iwanczenko. – Najbardziej ekscytującym aspektem naszych odkryć było to, że myszy, które były całkowicie głuche, mogły teraz słyszeć prawie tak dobrze, jak normalne myszy – podkreśla.
Podczas gdy mini-gen skutecznie leczył głuchotę w mysim modelu Ushera 1F, naukowcy są jeszcze bardziej zainteresowani jego potencjałem w leczeniu ślepoty związanej z zespołem Ushera 1F. Ponieważ dzieci z Usher 1F rodzą się głęboko głuche i mogą nie mieć komórek rzęsatych w uchu wewnętrznym, jest mało prawdopodobne, aby mini gen mógł poprawić ich słuch. Wiele z nich może otrzymać implanty ślimakowe, które pozwolą im słyszeć.
Dzieci cierpiące na tę chorobę rodzą się jednak z normalnym wzrokiem, a tracą go z czasem. Jeśli mini-gen mógłby wytworzyć formę protokadheryny-15 brakującą w siatkówce, w ich przypadku mogłoby to powstrzymać utratę wzroku. – Cały projekt został zaprojektowany w celu zbadania ucha, ale z myślą, że coś, co działa w uchu, może być później zastosowane do oka – wyjaśnił Corey. – Podczas gdy najlepszym systemem testowym jest ucho wewnętrzne myszy, bezpośrednim celem jest leczenie ślepoty – podkreślił badacz.
Naukowcy planują kontynuować testowanie mini-genu na innych modelach zwierzęcych i ostatecznie mają nadzieję przetestować go na ludziach.