Dodano: 20 lipiec 2020r.

Nowa metoda edycji mitochondrialnego DNA

Naukowcy opracowali nową metodę, która pozwala na edytowanie mitochondrialnego DNA. Technika ta umożliwia dokonywanie precyzyjnych zmian za pomocą enzymu bakteryjnego. Jej autorzy mają nadzieję, że dzięki niej będzie można opracować nowe terapie chorób mitochondrialnych. W badaniach nad nową metodą brała udział Polka.

Mitochondria

 

- Na razie ta nowa metoda edycji mitochondrialnego DNA przyda się zwłaszcza do tworzenia modeli do badania chorób mitochondrialnych spowodowanych mutacjami w tym DNA. A takich modeli do tej pory brakowało. W przyszłości zaś metoda ta może dać podstawy do opracowania skutecznych terapii takich chorób - komentuje w rozmowie z PAP dr Anna Kotrys z Massachusetts General Hospital i Harvard Medical School.

Komórkowe elektrownie

Pojedyncza komórka organizmu może mieć w sobie nawet setki czy tysiące mitochondriów. To komórkowe elektrownie - w nich spalany jest cukier i tłuszcz, a energia z tego spalania służy do ładowania komórkowych "bateryjek" (ATP) niezbędnych wszystkim komórkowym maszynom, będącym w nieustannym ruchu. Mitochondria to wyjątkowe fragmenty komórki choćby dlatego, że mają własny DNA - tzw. mitochondrialny DNA (mtDNA), który u człowieka koduje 37 genów.

W obrębie mtDNA czasami dochodzi do mutacji, co prowadzić może do chorób mitochondrialnych. Związane są z tym np. niektóre miopatie (zanik mięśni), neuropatie (uszkodzenia nerwów), ale też utrata słuchu lub wzroku oraz choroby nerek i wątroby. Szacuje się, że choroby mitochondrialne to przypadłość, która dotykać może nawet 1 na 5 tys. osób.

Teraz naukowcy - Beverly Mok, Marcos de Moraes i koledzy - pokazali w „Nature”, jak edytować DNA mitochondriów z bardzo dużą dokładnością.

- Przedstawiona na łamach "Nature" metoda umożliwia coś, co do tej pory było niemożliwe - wprowadzenie precyzyjnych zmian w obrębie genomu mitochondrialnego. Technika ta opiera się na precyzyjnej, bezpośredniej edycji pojedynczych "liter" kodu genetycznego - komentuje dr Anna Kotrys.

CRISPR na mitochondria nie działa

Najbardziej znaną i popularną na świecie metodą edycji DNA jest technologia CRISPR. Ona - choć świetna w edycji genów znajdujących się w jądrze komórki - nie nadaje się do modyfikacji mtDNA. W CRISPR do edycji genów używa się bowiem nici RNA. A z ich transportem do wnętrza mitochondriów jest wielki problem. W ramach CRISPR dochodzi też do powstawania dwuniciowych pęknięć w łańcuchu DNA. A w mitochondriach akurat taki proces mógłby prowadzić do degradacji mitochondrialnych cząsteczek DNA, które są wrażliwe na tego typu uszkodzenia. Nowa technika nie wykorzystuje ani RNA, ani dwuniciowych pęknięć.

- Opisany przez nas mechanizm edycji mtDNA polega na wykorzystaniu zmodyfikowanej toksyny bakteryjnej - mówi dr Kotrys. Technika ta umożliwia zamianę jednej pary literek w kodzie genetycznym na inną. Substancja, którą opisali badacze, powoduje usunięcie grupy aminowej z cytozyny. Powstaje przez to uracyl, który jest rozpoznawany przez polimerazę jako tymina, czyli inna zasada DNA. Podczas replikacji DNA polimeraza zamiast nukleotydu guaninowego wykorzystuje nukleotyd adeninowy, co prowadzi do zmiany parowania z C:G do T:A.

Opracowanie opisanego edytora mtDNA zaczęło się od wykrycia przez grupę prof. Josepha Mougousa na University of Washington bakteryjnej deaminazy oraz rozpoznania sposobu działania tego enzymu. Następnym krokiem było wykorzystanie enzymu do opracowania edytora, którym zajmowała się grupa prof. Davida Liu z Broad Institute oraz Harvard University. Przede wszystkim było konieczne ograniczenie toksyczności deaminazy oraz nakierowanie jej na wybrane miejsce w mtDNA. Ostatnim etapem była walidacja opracowanego edytora i ocena jego działania w komórkach. W tym pomogła grupa prof. Vamsiego Moothy z Broad Institute oraz Massachusetts General Hospital (w jego grupie pracuje teraz dr Kotrys). Połączenie sił tych trzech laboratoriów zaowocowało opracowaniem precyzyjnego edytora mtDNA.

Precyzyjna edycja mtDNA

Dr Kotrys tłumaczy, że do tej pory manipulacja genomem mitochondrialnym była możliwa tylko poprzez celowane zniszczenie cząsteczek mtDNA posiadających nieprawidłową sekwencję. Jeśli w komórce były już jakieś cząsteczki mtDNA o prawidłowej sekwencji - możliwe było ich namnażanie. Teraz pokazano sposób na precyzyjną edycję genomu mitochondrialnego.

- Można się spodziewać, że opisane badania będą mieć duży wpływ na dziedzinę nauki zajmującą się biologią mitochondriów. Jest to pierwsza metoda precyzyjnej edycji mitochondrialnego DNA, co do tej pory było ogromnym wyzwaniem - podsumowuje rozmówczyni PAP.

Opisana metoda została do tej pory wykorzystana jedynie w badaniach in vitro. Droga do zastosowań terapeutycznych jest jednak jeszcze bardzo daleka. - Na tym etapie badań, opracowana metoda przysłuży się raczej do opracowania modeli komórkowych i zwierzęcych do badania chorób mitochondrialnych - komentuje dr Kotrys.

Dr Kotrys brała udział w badaniach dzięki stypendium Narodowego Centrum Nauki uzyskanego w ramach pracy doktorskiej w Instytucie Biochemii i Biofizyki PAN.\

 

Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl