«Ненужные» транспозоны: как генетические паразиты помогают разрабатывать инновационные лекарства

Последние из наиболее перспективных для отрасли открытий относятся к транспозонам, так называемым генетическим паразитам, до недавнего времени считавшимися не более чем ДНК-хламом.

Недооцененные транспозоны: путь к признанию

Мобильные генетические элементы, к которым относятся транспозоны – последовательности ДНК, способные перемещаться внутри генома.

В отличие от генов, кодирующих функциональные белки, транспозоны производят белки исключительно для копирования собственной ДНК и встраивания ее в другие элементы. Как отмечают исследователи, это эгоистичные паразиты: они воспроизводят себя и в большинстве случаев ничего не делают для организма хозяина.

Мобильные \ подвижные элементы генома были обнаружены Барбарой Мак-Клинток 1951 году: тогда их назвали «прыгающие гены». Но, как это часто и случается с важными открытиями, тогда они не привлекли к себе особого внимания и долгое время считались чем-то наподобие генетического «мусора». (Мак-Клинток получила за эту работу Нобелевку только в 1983 году.)

Почти все биологические виды содержат транспозоны — как и модификации, которые останавливают их непрерывную репликацию. Но процент транспозонов широко варьируется в зависимости от генома: от 50% у людей и 65% у саламандр до 6% у иглобрюха. Даже среди близкородственных видов дрозофил этот показатель колеблется в диапазоне 2%-25%.

В наши дни появились технологии, позволившие выяснить значение транспозонов в эволюции организмов, а также их роль в патологии заболеваний.

По последней статистике, существует около сотни генетических болезней человека, развитие которых опосредуется мобильными элементами, и этот список неокончательный. Транспозоны в частности связаны с некоторыми редкими наследственными заболеваниями. Кроме того, выяснилось, что мобильные элементы генома коррелируют со старением: «прыгающие гены» активируются в стареющем мозге, а также некоторых раковых клетках.

Новые роли ДНК-паразитов

Последние наработки ученых помогут медицине продвинуться в борьбе с раком, а также заболеваниями, опосредованными старением, еще дальше.

Биологи из Калифорнийского университета в Ирвине (UCI) предложили новый взгляд на транспозоны – «паразитарные гены», которые также связывают с эпигенетическими изменениями, часто увеличивающими риск некоторых заболеваний, в том числе онкологических.

Вначале сотрудники UCI пытались объяснить разницу в процентном содержании этих «паразитов» в геномах организмов разных видов, но в конечном итоге их анализ связал активность мобильных элементов с интенсивностью эпигенетических изменений внутри клеток.

Впрочем, сегодня наука научилась использовать транспозоны во благо (правда, «позаимствованные» у других биологических видов).

Транспозоны на службе у биотехнологов

Уникальные свойства транспозонов, связанные с их мобильностью и автономностью, обратили на себя внимание биотехнологов.

Одно из наиболее перспективных и «наработанных» направлений применения транспозонов в биофармацевтической области — трансгенез, т.е. есть искусственное введение в организм трансгена, участка чужой ДНК.

Как известно, сегодня с этой цель широко применяются аденовирусные векторы (AVV). Но с их использованием возник ряд проблем, и виной этому иммуногенность, риск инсерционного онкогенеза, а также малая «грузоподъемность» AVV, которая не позволяет осуществить перенос более крупных генов – это самые существенные недостатки AVV. Кроме этого, производство AVV требует больших материальных затрат.

Поэтому им ищут альтернативы, и транспозоны – она из наиболее привлекательных.

Используемые сегодня биотехнологами транспозонные системы с такими яркими названиями, как Sleeping Beauty, PiggyBac или Frog Prince способны доставлять к целевым участкам ДНК «грузы» большого размера – кодирующие области генов со всеми необходимыми регуляторными элементами, длиной в десятки, а то и сотни тысяч пар оснований.

Методы доставки систем транспозонов

Транспозон может быть доставлен в виде плазмидной ДНК, плазмиды без маркеров устойчивости к антибиотикам (pFAR), миникольца (MC) или синтетической Doggybone ДНК (dbDNA). Транспозаза может быть доставлена в виде плазмидной ДНК, pFAR, MC, dbDNA, мРНК или рекомбинантного белка (вверху справа).

Кроме того, возможны гибридные методы доставки, сочетающие компоненты системы транспозонов с неинтегративными вирусными векторами или наночастицами (вверху посередине). В совокупности эти способы доставки работают in vitro, ex vivo и in vivo.

Sleeping Beauty стал первым синтетическим транспозоном, на котором осуществили перенос генов в клетках млекопитающих. Он открыл ученым новые возможности в области генной терапии заболеваний человека и, хотя Sleeping Beauty и не самый грузоподъемный, он пока наиболее широко используется в генной инженерии, так как отличается высоким профилем безопасности за счет низкой иммуногенности.

Потенциал в онкогематологии

Еще один тип терапии, сегодня очень активно изучающийся и связанный с перепрограммированием транспозонами, это применение модифицированных иммунных клеток — терапевтических CAR Т-клеток, которые создают при помощи методов генной инженерии. Технология, основанная на химерных антигенных рецепторах (CAR), позволяет конструировать Т-клетки, нацеленные практически на любую существующую структуру белка на любой клетке.

На сегодняшний день проводятся сотни клинических исследований, в которых проверяют инновационные (и дорогостоящие) препараты клеточной терапии. Большинство таких испытаний фокусируются на онкогематологии – и в большинстве из них для производства CAR Т-клеток используют вирусные векторы.

Но уже сегодня интенсивно развиваются невирусные методы производства CAR Т-клеток, опять же, потому что вирусные векторы имеют существенные недостатки: мутагенность \ онкогенность, высокая стоимость производства и его сложность. И в перспективе транспозоны помогут удешевить чрезвычайно дорогостоящую на сегодня клеточную терапию.