Rozprawa o naprawie DNA, zlikwidowaniu chorób genetycznych i budowie DNA w pigułce

25 kwietnia został ustalony Międzynarodowym Dniem DNA i dlatego z tej okazji poopowiadam Wam trochę najnowszych nowin ze świata genetyki, o których dowiedziałam się na konferencji w  Poznaniu. Zapowiadam, że będzie ciekawie. Jakoś tak cała genetyka mnie pasjonuje i inspiruje. Lubię wiedzieć o niej więcej, przemierzać kresy i szczyty z książkami na jej temat. Wiele chorób ma podłoże genetyczne, w ogóle to, że dziedziczymy cechy, jedne utrwalamy a drugie eliminujemy, jest fascynujące. W dzisiejszym poście opowiem Wam o terapii genowej CRISPR CAS-9, która może leczyć choroby genetyczne. Oczywiście słowo leczyć powinnam wziąć w nawias, bo nie działa ona jak zwykła tabletka, nawet molekularna.

Budowa przestrzenna DNA

Jednak na początku uważam, że powinniśmy poznać bazę wiedzy genetycznej. Nie każdy z Was siedzi w tym temacie, toteż trzeba wyrównać szanse. DNA zbudowane jest z polinukleotydów, czyli polimerów nukleotydów – długich łańcuchów zbudowanych z nukleotydów. 1 nukleotyd zbudowany jest  z 1 zasady azotowej, cukru – pentozy – deoksyrybozy oraz reszty fosforanowej. DNA ma strukturę podwójnej alfa helisy, ponieważ zasady azotowe dobierają się w przestrzeni w pary, zgodnie z regułą Chargaffa, która polega, że ilość puryn równa się ilości pirymidyn i, że adenina zawsze łączy się z tyminą 2 wiązaniami wodorowymi, a cytozyna z guaniną 3 wiązaniami wodorowymi. Z tym, że, czym są te wspomniane przeze mnie nazwy? Są to oczywiście zasady azotowe: adenina (A) i guanina (G) to puryny, a cytozyna (C) i tymina (T) to pirymidyny. W RNA zamiast tyminy występuje uracyl (U).I teraz tak, wyróżniamy 4 rodzaje nukleotydów DNA, które zgodnie z regułą Chargaffa, łączą się w konkretne pary A-T i G-C. Na 1 nici DNA jest np. tymina, zatem na drugiej w tym samym miejscu będzie adenina. Dzięki temu DNA ma podwójną, przestrzenną strukturę.

https://www.medicalnewstoday.com/articles/319818.php

Dlaczego chromosom jest taki mały, skoro DNA jest takie długie

Chromosom to upakowane DNA na białka histonowe, które są silnie zasadowe. DNA dzięki reszcie fosforanowej ma charakter kwasowy, a białka są silnie zasadowe, czyli mamy 2 różnoimienne ładunki elektryczne, które rzecz jasna, będą bardzo mocno się trzymały i dzięki temu ze strasznie długiego łańcucha polinukleotydowego, jesteśmy w stanie mieć w organizmie silnie upakowane chromosomy.

Co zawiera DNA i jak powstaje białko

DNA zawiera informację genetyczną n.t. budowy białka lub RNA. Dokładniej mówiąc, taką informację niesie 1 kodon, czyli 3 nukleotydy. Kod genetyczny (to sposób zapisu!) jest trójkowy, czyli 3 nukleotydy budują 1 aminokwas lub 1 cząsteczkę, np. rRNA, ssRNA, ogólnie pojętego RNA oprócz mRNA, bo mRNA powstaje w wyniku transkrypcji, czyli przepisywaniu informacji genetycznej z DNA na mRNA – właśnie wtedy zamiast tyminy jest uracyl. No i powstaje mRNA, które ląduje na rybosomie i zaczyna się  proces translacji (biosyntezy białek), czyli 2 podjednostki dociskają nić mRNA w przestrzeni, wtedy rozpoczyna się synteza białka z udziałem tRNA, które dostarczają aminokwasy do kompleksu translacyjnego. Te 2 procesy – transkrypcja i translacja są naprawdę skomplikowane, biorą w nich udział konkretne enzymy, które mają indywidualne funkcje. Ja z chęcią opiszę te procesy, lecz nie dziś.

Terapia CRISPR CAS-9

Mam wrażenie, że poskakałam jak torpeda po biologii molekularnej, ale to nic, szczegóły nadrobię później, bo dzisiaj to taka notka robocza. Wiadomo, cel przyświecał piękny, bo Międzynarodowy Dzień DNA, ale chcę trochę o tej terapii genowej powiedzieć, a się nie wyrobię. Mam nadzieję, że jesteście przy kawie w stanie poopowiadać trochę o DNA, bo tłumacząc,  najlepiej się uczymy. Jednak marzyłam, żeby opowiedzieć Wam o tej metodzie, zatem o to i ona – metoda CRISPR CAS-9. Sam człon CAS-9 to nukleaza obecna u bakteri. Nukleaza jest enzymem, który potrafi przeciąć DNA w konkretnym miejscu– ot, takie molekularne nożyczki. Sama metoda polega na pobraniu od pacjenta materiału genetycznego. Pacjent musi być oczywiście chory na chorobę genetyczną. Następnie w warunkach laboratoryjnych ten gen się „naprawia” i później za pomocą wektora wprowadza do konkretnych komórek gospodarza, czyli do takich, które źle działają z powodu choroby genetycznej. W przypadku dystrofii mięśniowej Duchenna’a będą to mięśnie. Wektorami, czyli cząsteczkami, które przenoszą, w tym przypadku są wirusy. Są one pożądane ze względu na ich cykl infekcyjny.

Cykl infekcyjny wirusa w pigułce

Jeśli jest to wirus DNA, po adsorpcji, ląduje w naszej komórce i włącza się w nasze DNA. Jeśli byłby to wirus RNA, wtedy w komórce najpierw odwrotna transkryptaza (enzym) przepisuje informację genetyczną z RNA na DNA, a dopiero potem DNA wirusa może wejść w nasz genom. I wirus albo pozostaje w wyciszeniu, albo od razu przechodzi do rzeczy i nasze DNA syntetyzuje wirusowe białka, które ulegają składaniu, powstaje wirus, który może atakować inne komórki. Tak w skrócie wygląda cykl infekcyjny każdego wirusa i dlatego właśnie są one dobrymi przenośnikami poprawionego materiału genetycznego.

http://laboratoria.net/pl/artykul/Perspektywy%20terapii%20wirusa%20grypy%20typu%20A;22241.html

Wykorzystywane wirusy

Można wykorzystać adenowirusy, jednak wbudowują one swój mat. Genetyczny na ok. 2 tygodnie, zatem terapia byłaby mało efektywna. Kolejne są retrowirusy, u których następuje stała ekspresja genów (o. 2 lata). Integrują się wręcz z genomem gospodarza, jednak atakują komórki dzielące się. Lecz i tutaj nauka znalazła rozwiązanie i z tym problemu nie mają już lentiwirusy. Jednak zawierają LTR – retrotranspozony (transpozony to takie „ruchome” geny, które wędrują w obrębie genomu), które są silnym promotorem onkogenezy, zatem takie rozwiązanie jest zbyt ryzykowne. Na ratunek przychodzą nam wirusy AAV, które są niepatogenne (nie wywołują choroby), są defektywne, czyli nie replikują się (nie powielają swojego mat. genetycznego) bez wirusa pomocniczego i wykorzystują specyficzność tkankową, czyli możemy ustawić je, że akurat do tej tkanki mają trafić.

Czym jest CRISPR

CRISPR jest to skupione, regularnie oddzielone sekwencje palindromowe. W tej metodzie wykorzystywany jest genom bakterii, ponieważ kiedy są atakowane przez bakteriofaga, następuje ekspresja CRISPR.  Bakteria wykorzystuje system CRISPR CAS do obrony przed bakteriofagami – wirusami atakującymi bakterię. Niepoprawnym jest powiedzenie, że to jej system odpornościowy, jednak właśnie to najlepiej nam przybliża metodę działania tego kompleksu.

https://www.neb.com/tools-and-resources/feature-articles/crispr-cas9-and-targeted-genome-editing-a-new-era-in-molecular-biology

Niezbędnymi elementami potrzebnymi do tej metody są:

• tracrRNA + crRna – te RNA wskazują, gdzie ma zostać wykonane cięcie
• sekwencja PAM (2-6 nukleotydów), która decyduje o zapamiętaniu konkretnych sekwencji genu
• CAS-9 – nukleaza przecinająca DNA

http://eu.idtdna.com/pages/products/crispr-genome-editing/alt-r-crispr-cas9-system

Formy terapii

Metoda ta polega na wyciszeniu genu – naprawa przez scalenie niehomologicznych (NHEJ) końców DNA, w wyniku czego dochodzi do przesunięcia ramki odczytu. Allel dominujący może zostać przekształcony w recesywny. Może dojść do naprawy rekombinacyjnej – przez crossing over. Ekspresja genu może zostać aktywowana lub inaktywowana.

Zastosowanie i leczenie

• Dystrofia Duchenn’a – mutacja w egoznach 45-55 kodujących dystrofinę. Jest to choroba dominująca, sprzężona z płcią.
• Retinopatia pigmentowa – odkładanie się pigmentu w siatkówce oka. Jest chorobą dominującą. Mutacja zachodzi w sekwencji PAM=TGG. Po leczeniu metodą CRISPR CAS-9 została zauważona zmiana fotoreceptorów.
• Pląskawica Hintingtona – mutacja w genie IT15 kodującym białko – huntingtynę. Objawy choroby są widoczne dopiero wtedy, gdy dojdzie do 33 mutacji. Wraz ze wzrostem mutacji, wzrasta nasilenie objawów. Leczenie polega na wycięciu łańcucha poliglutaminowego kodującego to białko i obniżeniu jego ilości w organizmie. Leczenie ma na celu poprawę funkcji motorycznych.

Dzięki metodzie CRISPR CAS-9 możemy naprawiać nasze genomy.  Zostaje utrzymana długotrwała ekspresja genu. Możemy używać również tej metody w leczeniu oporności na leki – identyfikacja genów warunkujących wrażliwość na leki. Co ciekawe, jest możliwa identyfikacja genów niezbędnych dla wzrostu komórek nowotworowych. Ta terapia jest zdecydowaną przyszłością i ogromną szansą na wyleczenie lub poprawienie jakości życia osób dotkniętych chorobami genetycznymi. Z biegiem czasu gen nie będzie dla nas ukrytą historią. A może już nie jest?

Jeśli chcesz poczytać więcej na ten temat, mam dla Ciebie wartościowe linki, które na pewno jeszcze bardziej rozbudzą Twoją ciekawość:

Filmiki:
link1
link2

Teksty:
link3
link4
link5

Zatem życzę miłego świętowania dnia DNA.