Naukowcy z Northwestern Medicine wykorzystują nowe postępy w technologii edycji genów CRISPR, aby odkryć nową biologię, która może prowadzić do trwalszych terapii i nowych strategii terapeutycznych dla ludzkiego wirusa niedoboru odporności (HIV).
Epidemia HIV została przeoczona podczas pandemii COVID-19, ale stanowi krytyczne i ciągłe zagrożenie dla zdrowia ludzkiego z około 1,5 miliona nowych infekcji tylko w ostatnim roku.
Twórcy leków i zespoły badawcze od ponad 40 lat poszukują leków i nowych metod leczenia HIV, ale ogranicza ich zrozumienie sposobu, w jaki wirus wywołuje infekcję w ludzkim ciele. W jaki sposób ten mały, skromny wirus z zaledwie 12 białkami – i genomem tylko jednej trzeciej wielkości SARS-CoV-2 – porywa komórki organizmu, aby replikować i rozprzestrzeniać się w różnych systemach?
Na to pytanie starał się odpowiedzieć interdyscyplinarny zespół w Northwestern.
W nowym badaniu zespołu, opublikowanym 1 kwietnia w czasopiśmie Nature Communications, naukowcy zastosowali nowe podejście do edycji genów CRISPR, aby zidentyfikować ludzkie geny, które były ważne dla zakażenia HIV we krwi, znajdując 86 genów, które mogą odgrywać rolę w sposób, w jaki wirus HIV replikuje się i powoduje choroby, w tym ponad 40 osób, które nigdy nie były analizowane w kontekście zakażenia wirusem HIV.
Badanie proponuje nową mapę pozwalającą zrozumieć, w jaki sposób HIV integruje się z naszym DNA i powoduje przewlekłą infekcję.
„Istniejące terapie farmakologiczne są jednym z naszych najważniejszych narzędzi w walce z epidemią HIV i są niezwykle skuteczne w tłumieniu replikacji i rozprzestrzeniania się wirusa” – powiedział Judd Hultquist z Northwestern, współautor. „Ale te terapie nie są lecznicze, więc osoby żyjące z HIV muszą przestrzegać ścisłego schematu leczenia, który wymaga stałego dostępu do dobrej, przystępnej cenowo opieki zdrowotnej – to po prostu nie jest świat, w którym żyjemy”.
Hultquist powiedział, że dzięki lepszemu zrozumieniu replikacji wirusa, leczenie może pewnego dnia stać się lekarstwem.
Hultquist jest zastępcą dyrektora Centrum Genomiki Patogenów i Ewolucji Mikrobiologicznej na Northwestern University Feinberg School of Medicine oraz pełni funkcję adiunkta medycyny chorób zakaźnych w Feinbergu.
Metoda bez kompromisów
Do tej pory badania opierały się na wykorzystaniu unieśmiertelnionych ludzkich komórek rakowych (takich jak komórki HeLa) jako modeli do badania replikacji wirusa HIV w laboratorium. Chociaż te komórki są łatwe do manipulowania w laboratorium, są niedoskonałymi modelami ludzkich komórek krwi. Ponadto większość z tych badań wykorzystuje technologię do wyłączania ekspresji niektórych genów, ale nie wyłącza ich całkowicie, jak w przypadku CRISPR, co oznacza, że naukowcy nie zawsze mogą jasno określić, czy gen był zaangażowany we wspomaganie lub tłumienie replikacji wirusa.
„W systemie CRISPR nie ma pośrednika – gen jest włączony lub wyłączony” – powiedział Hultquist. „Ta zdolność do włączania i wyłączania genów w komórkach izolowanych bezpośrednio z ludzkiej krwi zmienia zasady gry – ten nowy test jest najwierniejszym odwzorowaniem tego, co dzieje się w organizmie podczas zakażenia wirusem HIV, co z łatwością moglibyśmy zbadać w laboratorium”.
W badaniu limfocyty T – główny typ komórek, na który atakuje HIV – zostały wyizolowane z ludzkiej krwi dawcy, a setki genów zostały usunięte za pomocą edycji genów CRISPR-Cas9. Komórki „knock-out” zostały następnie zakażone wirusem HIV i przeanalizowane. Komórki, które utraciły gen ważny dla replikacji wirusa, wykazywały zmniejszoną infekcję, podczas gdy komórki, które utraciły czynnik przeciwwirusowy, wykazywały wzrost infekcji.
Stamtąd zespół dokonał walidacji zidentyfikowanych czynników, selektywnie eliminując je u nowych dawców, gdzie odkryli prawie równomierne przerwanie nowo odkrytych i dobrze zbadanych ścieżek.
W kierunku lekarstwa na HIV
Hultquist powiedział, że ich odkrycia reprezentują „doskonały podział” nowych i znanych czynników, aby wiedzieć, że robią coś dobrze.
„To naprawdę świetny dowód na to, że kroki i procesy, które podjęliśmy w celu przeprowadzenia badania, były solidne i dobrze przemyślane” – powiedział Hultquist. „To, że prawie połowa znalezionych przez nas genów została wcześniej odkryta, zwiększa zaufanie do naszego zbioru danych. Ekscytującą częścią jest to, że ponad połowa – 46 – z tych genów nigdy wcześniej nie była badana w kontekście zakażenia wirusem HIV, więc stanowią one nowe potencjalne ścieżki terapeutyczne, na które warto się przyjrzeć”.
Zespół jest podekscytowany dalszym rozwojem tej technologii, aby umożliwić badania przesiewowe całego genomu, w ramach których niezależnie wyłączają lub włączają każdy gen w ludzkim genomie, aby zidentyfikować wszystkie potencjalne czynniki gospodarza HIV. Dane te stanowiłyby kluczowy element układanki, który jeszcze bardziej zbliżyłby je do strategii leczniczych.
Badanie było wynikiem współpracy Hultquista z Northwestern z Alexandrem Marsonem i Nevanem Kroganem z University of California w San Francisco.
Badania te były wspierane przez grant Mathilde Krim amfAR z funduszy zebranych przez generationCURE (109504-61-RKRL); Finansowanie przez NIH/NIGMS Centrum Związków Akcesoriów i Regulacji HIV (HARC) (P50 GM082250); finansowanie przez NIH badań wrodzonych odpowiedzi immunologicznych na patogeny wewnątrzkomórkowe (R01 AI120694 i P01 AI063302); finansowanie przez NIH Trzeciego Wybrzeża Centrum Badań nad AIDS (P30 AI117943); Finansowanie przez NIH Instytutu Wirusologii i Immunologii UCSF-Gladstone Centrum Badań nad AIDS; Finansowanie przez NIH programu szkoleniowego UCSF Medical Scientist; kilka grantów NIH/NIAID na badania nad HIV (K22 AI136691, R01 AI165236 i R01 AI150998); oraz grant NIH/NIDA (DP2 DA042423-01).