A mitokondriális DNS mutációk szabályozása
A mitokondriális betegségek, amelyek világszerte körülbelül minden ötezer emberből egyet érintenek, izomgyengeségtől stroke-szerű rohamokig terjedő, legyengítő tüneteket okoznak. Ezek közül néhány a mitokondriumokban található genetikai anyag, a mitokondriális DNS (mtDNS) mutációiból ered. A MELAS-szindrómát (mitokondriális myopathia, encephalopathia, tejsavas acidózis és stroke-szerű epizódok) és diabetes mellituszt okozó gyakori m.3243A>G mutációval rendelkező betegek kezelési lehetőségei továbbra is korlátozottak.
A mitokondriális betegségek kutatásának alapvető kihívása, hogy a betegek sejtjeiben általában normális és mutált mtDNS egyaránt megtalálható. Ez a heteroplazmia néven ismert állapot megnehezíti a célzott terápiák kifejlesztését, mivel a normális és mutált mtDNS aránya szövetenként jelentősen eltérhet.
Ezenkívül a mtDNS-mutációk jelenlegi alapkutatását jelentős akadályok gátolják, amelyek a betegségmodellek hiányából fakadnak. A mutációs terhelés (a mutált mtDNS százalékos aránya) és a betegség súlyossága közötti komplex kapcsolat még mindig nem teljesen tisztázott, részben azért, mert nincsenek olyan eszközök, amelyekkel a heteroplazmia szintjét bármely irányba pontosan manipulálni lehetne. Anélkül, hogy különböző mutációs terhelésű sejtmodelleket lehetne létrehozni, a tudósok nem tudják hatékonyan vizsgálni, hogy a mutált mtDNS különböző százalékos aránya hogyan kapcsolódik a betegség megnyilvánulásához.
Most azonban a japán Fujita Health University School of Medicine fejlődésbiológiai tanszékének vezetője, Naoki Yahata egyetemi docens vezette kutatócsoport kifejlesztett egy technológiát, amely képes módosítani a m.3243A>G mutációt hordozó tenyésztett sejtek heteroplazmia szintjét.
Cikkük megjelent a Molecular Therapy Nucleic Acids folyóiratban. A cikk társszerzői Dr. Yu-ichi Goto, a Nemzeti Neurológiai és Pszichiátriai Központ munkatársa, valamint Dr. Ryuji Hata, az Oszakai Prefekturális Kórházszervezet munkatársa. A cikkben részletesen ismertetik az optimalizált mtDNS-célzott platina transzkripciós aktivátor-szerű effektornukleázok (mpTALEN-ek) – olyan speciális enzimek, amelyek szelektíven képesek megcélozni és hasítani meghatározott DNS-szekvenciákat – tervezését és alkalmazását.
A kutatók először m.3243A>G mutációt tartalmazó, betegektől származó indukált pluripotens őssejteket (iPSCs) tenyésztettek, majd két változatot terveztek mpTALEN-rendszerükből: az egyiket a mutáns mtDNS megsemmisítésére, a másikat a normális mtDNS megcélzására. Ez a kétirányú megközelítés lehetővé tette számukra, hogy olyan sejteket állítsanak elő, amelyek mutációs terhelése 11% és 97% között mozog, miközben a sejtek különböző szöveti típusokká való differenciálódási képessége megmaradt. „Kutatásunk az első, amely programozható nukleázokkal bizonyította a patogén mutáns mtDNS arányának növekedését” – jegyzi meg Dr. Yahata.
A megközelítésük legfontosabb újításai között szerepelt az újszerű, nem hagyományos ismétlődő változó di-maradékok[1] és obligát heterodimer FokI nukleáz domének[2] használata, amelyek javították a technológia specifitását és csökkentették a nem célzott mtDNS nem kívánt lebomlását. A csapat további technikákat is alkalmazott, például uridin-kiegészítést, hogy különböző mutációs terhelésű stabil sejtvonalakat hozzon létre, még azokból is, amelyek általában növekedési hátrányban vannak.
„Eredményeink bizonyítják, hogy mpTALEN optimalizációs folyamatunk hasznos eszközt hozott létre a m.3243A>G-iPSC-k heteroplazmia szintjének megváltoztatására, javítva azok mutációs patológiájának tanulmányozási potenciálját. Ez a hatékonyságnövelés ígéretes lehetőségeket nyit meg az mpTALEN-ek alkalmazására a m.3243A>G mitokondriális betegségekben szenvedő betegek terápiás stratégiáiban” – mondja Dr. Yahata.
Összességében a tanulmány több okból is jelentős előrelépést jelent a mitokondriális orvoslásban. Először is, a kutatóknak több izogén – vagyis genetikailag azonos – sejtvonalat biztosít, amelyek csak a heteroplazmia szintjükben különböznek egymástól. Ez lehetővé teszi a mutációs terhelés betegségmegnyilvánulásra gyakorolt hatásának pontos vizsgálatát. Másodszor, arra utal, hogy az mpTALEN technológia terápiás szempontból értékes lehet a mutáns mtDNS terhelés csökkentésében a betegeknél.
„A javasolt módszerünk más mutáns mtDNS-ekre is alkalmazható, és hozzájárulhat a kapcsolódó patológiák megértéséhez és új kezelések kidolgozásához, ami potenciálisan előnyös lehet a különböző formájú mitokondriális betegségekben szenvedő betegek számára” – összegezte Dr. Yahata.
[1] A DNS-felismerés két hipervariábilis aminosavmaradék segítségével történik, ismétlődő változó di-maradékoknak (RVD-k) nevezik őket.
[2] Ez a domén részt vesz a DNS hasításában.