«Непотрібні» транспозони: як генетичні паразити допомагають розробляти інноваційні ліки

Останні з найбільш перспективних для галузі відкриттів відносяться до транспозонів, так званих генетичних паразитів, які донедавна вважалися не більше ніж ДНК-мотлохом.

Недооцінені транспозони: шлях до визнання

Мобільні генетичні елементи, до яких належать транспозони – послідовності ДНК, здатні переміщатися всередині геному.

На відміну від генів, що кодують функціональні білки, транспозони виробляють білки виключно для копіювання власної ДНК та вбудовування її в інші елементи. Як відзначають дослідники, це егоїстичні паразити: вони відтворюють себе і здебільшого нічого не роблять для організму господаря.

Мобільні \ рухливі елементи геному були виявлені Барбарою Мак-Клінток 1951: тоді їх назвали «стрибають гени». Але, як це часто і трапляється з важливими відкриттями, тоді вони не привернули до себе особливої ​​уваги і довгий час вважалися чимось на зразок генетичного сміття. (Мак-Клінток отримала за цю роботу Нобелівку лише 1983 року.)

Майже всі біологічні види містять транспозони — як і модифікації, які зупиняють їхню безперервну реплікацію. Але відсоток транспозонів широко варіюється залежно від геному: від 50% у людей і 65% у саламандр до 6% у голкобрюха. Навіть серед близьких видів дрозофіл цей показник коливається в діапазоні 2%-25%.

У наші дні зʼявилися технології, що дозволили зʼясувати значення транспозонів в еволюції організмів, а також їхню роль у патології захворювань.

За останньою статистикою існує близько сотні генетичних хвороб людини, розвиток яких опосередковується мобільними елементами, і цей список неостаточний. Транспозони, зокрема, повʼязані з деякими рідкісними спадковими захворюваннями. Крім того, зʼясувалося, що мобільні елементи геному корелюють зі старінням: гени, що стрибають, активуються в старіючому мозку, а також деяких ракових клітинах.

Нові ролі ДНК-паразитів

Останні напрацювання вчених допоможуть медицині просунутися у боротьбі з раком, а також захворюваннями опосередкованими старінням ще далі.

Біологи з Каліфорнійського університету в Ірвіні (UCI) запропонували новий погляд на транспозони – «паразитарні гени», які також повʼязують з епігенетичними змінами, які часто збільшують ризик деяких захворювань, зокрема онкологічних.

Спочатку співробітники UCI намагалися пояснити різницю у відсотковому вмісті цих «паразитів» у геномах організмів різних видів, але зрештою їх аналіз повʼязав активність мобільних елементів з інтенсивністю епігенетичних змін усередині клітин.

Втім, сьогодні наука навчилася використовувати транспозони на благо (щоправда, «запозичені» в інших біологічних видів).

Транспозони на службі у біотехнологів

Унікальні властивості транспозонів, повʼязані з їхньою мобільністю та автономністю, привернули на себе увагу біотехнологів.

Один із найперспективніших і «напрацьованих» напрямів застосування транспозонів у біофармацевтичній галузі — трансгенез, тобто. є штучне введення в організм трансгену, ділянки чужої ДНК.

Як відомо, сьогодні з цією метою широко застосовуються аденовірусні вектори (AVV). Але з їх використанням виникла низка проблем, і виною цьому імуногенність, ризик інсерційного онкогенезу, а також мала «вантажопідйомність» AVV, яка не дозволяє здійснити перенесення більших генів – це суттєві недоліки AVV. Крім цього, виробництво AVV потребує великих матеріальних витрат.

Тому їм шукають альтернативи, й транспозони – одна з найбільш привабливих.

Використовувані сьогодні біотехнологами транспозонні системи з такими яскравими назвами, як Sleeping Beauty, PiggyBac або Frog Prince, здатні доставляти до цільових ділянок ДНК «вантажі» великого розміру – кодуючі області генів з усіма необхідними регуляторними елементами, довжиною в десятки, а то й сотні тисяч пар основ. .

Методи доставки систем транспозонів

Транспозон може бути доставлений у вигляді плазмідної ДНК, плазміди без маркерів стійкості до антибіотиків (pFAR), мінікільця (MC) або синтетичної Doggybone ДНК (dbDNA). Фермент транспозазу можна доставити у вигляді плазмідної ДНК, pFAR, MC, dbDNA, мРНК або рекомбінантного білка (вгорі праворуч).

Крім того, можливі гібридні методи доставки, що поєднують компоненти транспозонної системи з неінтегративними вірусними векторами або наночастинками (вгорі посередині). У сукупності ці способи доставки працюють in vitro, ex vivo та in vivo.

Sleeping Beauty став першим синтетичним транспозоном, на якому здійснили перенесення генів у клітинах ссавців. Він відкрив вченим нові можливості в галузі генної терапії захворювань людини і, хоча Sleeping Beauty і не найбільш вантажопідйомний, він поки що найбільш широко використовується в генній інженерії, оскільки відрізняється високим профілем безпеки за рахунок низької імуногенності.

Потенціал в онкогематології

Ще один тип терапії, що сьогодні дуже активно вивчається і повʼязаний з перепрограмуванням транспозонами, це застосування модифікованих імунних клітин — терапевтичних CAR Т-клітин, які створюють за допомогою методів генної інженерії. Технологія, заснована на химерних антигенних рецепторах (CAR), дозволяє конструювати Т-клітини, орієнтовані практично на будь-яку існуючу структуру білка на будь-якій клітині.

На сьогодні проводяться сотні клінічних досліджень, у яких перевіряють інноваційні (і дорогі) препарати клітинної терапії. Більшість таких випробувань фокусується на онкогематології – і у більшості з них для виробництва CAR Т-клітин використовують вірусні вектори.

Але вже сьогодні інтенсивно розвиваються невірусні методи виробництва CAR Т-клітин, знову ж таки, тому що вірусні вектори мають суттєві недоліки: мутагенність/онкогенність, висока вартість виробництва та його складність. І в перспективі транспозони допоможуть здешевити надзвичайно дорогу на сьогодні клітинну терапію.