Într-o provocare a biologilor, de a combate bolile genetice, cercetătorii au transformat o toxină bacteriană într-un instrument de prelucrare a genomului, care poate face schimbări precise în acidul dezoxiribonucleic (ADN-ul) mitocondrial. Instrumentul, care a fost utilizat în cadrul experimentelor din laborator, folosind celule umane, ar putea deschide noi oportunități către alte studii. Astfel, pot fi tratate zeci de boli cauzate de mutațiile din ADN-ul mitocondrial (mtADN). Aceste afecțiuni rare, care includ neuropatia optică ereditară, numite Leber și cardiomiopatia infantilă letală, afectează aproximativ una dintre 4.000 de persoane. Până acum, cercetările asupra acestor boli au fost dificile, deoarece nu există nicio modalitate de reproducere a mutațiilor în cazul șoarecilor.
Noul instrument ce poate modifica ADN-ul este „destul de inovator”, precizează Joseph Hacia, medic genetician din cadrul Universității de Sud din California. „Este foarte probabil să funcționeze la șoareci și sper că, în viitor, va avea un impact pozitiv în domeniul terapeutic.”
Mii de mitocondrii, care au evoluat din bacterii, sunt prezente în majoritatea celulelor umane, fiecare conținând propriile gene. Cercetătorii au făcut mici progrese pentru remedierea defectelor genetice, care conduc la boli mitocondriale. Majoritatea sunt cauzate de „mutații punctuale”. Pentru astfel de mutații, o singură bază de ADN (adenină, citozină, timină sau guanină) este înlocuită cu una care perturbă o proteină necesară producerii sursei de energie. Însă, componenta cheie a celui mai cunoscut editor de genom, numit CRISPR este prea mare pentru a intra în mitocondrii, în condițiile în care alți editori de genom, care pot atinge ADN-ul mitocondrial ,nu au subtilitatea necesară de a corecta mutațiile punctuale.
Trei echipe de cercetători și-au unit forțele pentru a crea noul instrument, care combină caracteristicile CRISPR cu o tehnologie mai veche, numită efectori de transcripție (TALE). ,,În cele din urmă, ceea ce a făcut ca proiectul să fie atât de interesant este faptul că echipele de cercetare s-au unit omogen, deoarece știința ne-a condus unul către altul”, afirmă David Liu, chimist în cadrul Institutului Broad și unul dintre autorii lucrării publicate în revista Nature.
Primul pas către această colaborare a fost o constatare făcută de către Marcos de Moraes, doctorand în cadrul Universității din Washington, Seattle. Echipa studiază modul în care bacteriile secretă toxine, pentru a elimina alte bacterii, atunci când există resurse limitate. În anul 2018, Marcos de Moraes a studiat o toxină bacteriană care ajută la catalizarea convertirii citozinei în uracil. De obicei, această bază este normală în acid ribonucleic (ARN), care în ADN se transformă în timină. Mai mult, toxina a creat această mutație pe ambele părți ale spiralei duble a ADN-ului, lucru care nu s-a mai întâmplat până acum.
Mougous, cercetător în cadrul Institutului Medical Howard Hughes (HHMI), l-a contactat pe chimistul David Liu, întrebându-l dacă este interesat să colaboreze pentru realizarea acestui proiect, deoarece laboratorul acestuia a dezvoltat anterior editori de bază de citozină și adenină, folosind un agent de catalizare similar, o enzimă cunoscută sub numele de deaminază, combinată cu două componente ale tehnologiei CRISPR. Aceste deaminaze funcționează numai în cazul ADN-ului monocatenar. Duo CRISPR include o catena de ARN, care ajută la îndreptarea dublei spirale și transferă deaminasa către ținte precise, pe catenele unice. Din nefericire, acest ARN-ghid (gARN) nu poate intra în mitocondrii.
Mougous spune că cele două grupuri de cercetători au recunoscut, de la bun început, că noul editor de bază nu avea niciun avantaj evident, față de cel dezvoltat de echipa condusă de către Liu. „Asta ne-a determinat să-i căutăm nișa”, spune el, care, într-un final, s-a dovedit că modifica ADN-ul. Vamsi Mootha, un specialist în disfuncția mitocondrială și cercetător în cadrul Institutului Medical Howard Hughes (HHMI), s-a alăturat acestei colaborări. „Lucrez de 25 de ani în domeniu, dar este pentru prima dată când am reușit ,,să manipulăm celule” și, în sfârșit, câteva zile mai târziu, avem modificări ale ADN-ul mitocondrial.”
Enzimele de restricție artificială generate de fuzionarea unui domeniu de legare a ADN-ului de zinc, prin intermediul unui domeniu de clivaj ADN, numite TALE, precum și nucleazele de zinc, pot separa ADN-ul dublu-catenar al mitocondriilor, distrugându-le. Acestea au potențial de a trata unele boli mitocondriale, însă nu pot corecta mutațiile punctului de ADN mitocondrial. Pentru a face un instrument cu specificații superioare, Beverly Mok, un student aflat sub coordonarea lui Liu, a atașat deaminazul derivat din toxine, din laboratorul lui Mougous, la un TALE, o proteină care poate intra în mitocondrie și, precum ARNg, a reușit să conducă complexul la țintă.
Cercetătorii au descoperit faptul că deaminazele sunt toxice pentru mitocondrii. Conform studiului publicat în revista Nature, în cadrul experimentelor realizate pe celule umane, conversia citozinei în timină a avut loc până la 50% din timp.
Michio Hirano, care studiază bolile mitocondriale în cadrul Universității Columbia, deși nu a fost implicat în crearea acestei lucrări, a afirmat că ,,aceasta este o strategie foarte inteligentă, care se adresează unui ,,gral sfânt”, în domeniul mitocondrial”.
Pe lângă încercarea de a crea modele celulare, cercetătorii vor căuta alte deaminaze bacteriene care pot modifica ADN-ul dublu-catenar. De asemenea, aceștia speră să reușească să îmbunătățească prin modificările realizate, astfel încât să schimbe baza ADN-urilor mitocondriale și, într-un final, să poată fi testată în cazul oamenilor. „Recunoaștem că este un drum lung până vom ajunge la validarea acestor fapte”, spune Liu.