Jak wynika z badania opublikowanego 1 listopada w czasopiśmie Nature, badacze zmodyfikowali genetycznie pierwszą mysz, która zachorowała na ludzką postać wirusa Covid-19.
W ramach nowych prac prowadzonych pod kierunkiem naukowców z Grossman School of Medicine NYU Grossman School of Medicine stworzono myszy laboratoryjne z ludzkim materiałem genetycznym dla ACE2 – białka przechwytywanego przez wirusa pandemicznego, dzięki czemu może przyłączać się do ludzkich komórek w ramach infekcji. U myszy z tą zmianą genetyczną wystąpiły objawy podobne do występujących u młodych ludzi zakażonych wirusem wywołującym COVID-19, zamiast umrzeć w wyniku infekcji, jak miało to miejsce w przypadku poprzednich modeli myszy.
„To, że te myszy przeżyją, tworzy pierwszy model zwierzęcy naśladujący postać COVID-19 obserwowaną u większości ludzi – aż do aktywacji komórek układu odpornościowego i porównywalnych objawów” – powiedział starszy autor badania Jef Boeke, dyrektor Sol i Judith Bergstein Instytutu Genetyki Systemów na Uniwersytecie Nowojorskim w Langone Health. „To był główny brakujący element w wysiłkach nad opracowaniem nowych leków przeciwko temu wirusowi”.
„Biorąc pod uwagę, że myszy są głównym modelem genetycznym od dziesięcioleci” – dodał Boeke – „istnieją tysiące istniejących linii myszy, które można teraz krzyżować z naszymi humanizowanymi myszami ACE2 w celu zbadania, w jaki sposób organizm inaczej reaguje na wirusa u pacjentów chorych na cukrzycę lub otyłość lub starzenie się ludzi.”
Problem dużego DNA
Nowe badanie dotyczy nowej metody edycji DNA, czyli 3 miliardów „liter” kodu genetycznego, które służą jako instrukcje budowania naszych komórek i ciał.
Chociaż znane techniki, takie jak CRISPR, umożliwiają edycję DNA, edytując tylko jedną lub kilka liter na raz, niektóre wyzwania wymagają zmian w całych genach, które mogą mieć długość do 2 milionów liter. W takich przypadkach bardziej efektywne może być zbudowanie DNA od zera, z daleko idącymi zmianami wprowadzanymi w dużych fragmentach kodu, wstępnie zmontowanych, a następnie zamienionych w komórkę w miejsce jej naturalnego odpowiednika. Ponieważ ludzkie geny są tak złożone, laboratorium Boeke najpierw opracowało metodę „pisania genomu” w drożdżach, jednokomórkowych grzybach, które mają wiele wspólnych cech z komórkami ludzkimi, ale są prostsze i łatwiejsze do badania.
Niedawno zespół Boeke dostosował swoje techniki wykorzystujące drożdże do kodu genetycznego ssaków, który składa się nie tylko z genów kodujących białka, ale także z wielu przełączników włączających różne geny na różnych poziomach w różnych typach komórek. Badając tę słabo poznaną „ciemną materię”, która reguluje geny, zespołowi badawczemu po raz pierwszy udało się zaprojektować żywe myszy z komórkami, które miały bardziej podobny do ludzkiego poziom aktywności genów ACE. Autorzy badania wykorzystali komórki drożdży do złożenia w jednym kroku sekwencji DNA składających się z maksymalnie 200 000 liter, a następnie dostarczyli te „nagie” DNA do embrionalnych komórek macierzystych myszy, korzystając z nowej metody dostarczania, mSwAP-In.
Pokonując ograniczenia wielkości stosowane w poprzednich metodach, projekt mSwAP-In dostarczył humanizowany mysi model patologii COVID-19 poprzez „nadpisanie” 72 kilobaz (kb) mysiego kodu Ace2 180 kb ludzkiego genu ACE2 i jego regulacyjnego DNA.
Aby dokonać tej zamiany międzygatunkowej, w ramach metody badawczej dokonano wycięcia kluczowego miejsca w kodzie DNA wokół naturalnego genu, stopniowo zamieniono go na syntetyczny odpowiednik i przy każdym dodaniu dodano mechanizm kontroli jakości, tak że tylko komórki z syntetycznym genem gen przetrwał. Następnie zespół badawczy współpracował z Sang Yong Kimem z laboratorium Rodent Genome Engineering Lab na Uniwersytecie Nowojorskim, stosując technikę komórek macierzystych zwaną „komplementacją tetraploidalną”, aby stworzyć żywą mysz, której komórki zawierały nadpisane geny.
Ponadto badacze zaprojektowali wcześniej syntetyczną wersję genu Trp53, mysią wersję ludzkiego genu TP53, i zamienili ją w komórki myszy. Białko kodowane przez ten gen koordynuje reakcję komórki na uszkodzone DNA, a nawet może nakazać komórkom je zawierającym śmierć, aby zapobiec gromadzeniu się komórek nowotworowych. Kiedy sam „strażnik genomu” zaczyna szwankować, staje się główną przyczyną nowotworów u ludzi.
Podczas gdy w eksperymentach ACE2 podmieniono niezmienioną wersję ludzkiego genu, syntetyczny, zamieniony gen Trp53 został zaprojektowany tak, aby nie zawierał już kombinacji liter kodu molekularnego – cytozyny (C) obok guaniny (G) – wiadomo, że są podatne na przypadkowe zmiany powodujące raka. Naukowcy nadpisali kluczowe „gorące punkty” CG kodem zawierającym inną literę DNA w adeninie (A).
„Zmiana AG pozostawiła funkcję genu nienaruszoną, ale zmniejszyła jego podatność na mutacje, przy czym przewiduje się, że zamiana doprowadzi do 10–50-krotnie niższego współczynnika mutacji” – powiedział pierwszy autor dr Weimin Zhang, doktor habilitowany w Laboratorium Boeke’a. „Naszym celem jest wykazanie na żywym zwierzęciu testowym, że ta zamiana prowadzi do mniejszej liczby mutacji i mniejszej liczby powstałych nowotworów, a takie eksperymenty są planowane”.
Prace zostały sfinansowane z grantu CEGS Narodowego Instytutu Zdrowia nr 1RM1HG009491 oraz grantu wsparcia Perlmutter Cancer Center P30CA016087. Boeke jest założycielem CDI Labs, Inc., założycielem Neochromosome, Inc.; założyciel ReOpen Diagnostics, LLC oraz zasiada lub był członkiem naukowych rad doradczych Logomix Inc., Modern Meadow, Inc., Rome Therapeutics, Inc., Sample6, Inc., Sangamo, Inc., Tessera Therapeutics, Inc. i Instytut Wyssa. Boeke otrzymuje również honoraria za doradztwo i tantiemy od OpenTrons oraz posiada kapitał w spółce. Relacje te są zarządzane zgodnie z polityką Uniwersytetu Nowojorskiego.