Program sztucznej inteligencji może umożliwić pierwszą prostą produkcję konfigurowalnych białek zwanych palcami cynkowymi do leczenia chorób poprzez włączanie i wyłączanie genów.
Naukowcy z NYU Grossman School of Medicine i University of Toronto, którzy zaprojektowali to narzędzie, twierdzą, że obiecuje przyspieszenie rozwoju terapii genowych na dużą skalę.
Choroby, w tym mukowiscydoza, choroba Tay-Sachsa i anemia sierpowata, są spowodowane błędami w kolejności liter DNA, które kodują instrukcje obsługi każdej komórki ludzkiej. Naukowcy mogą w niektórych przypadkach poprawić te błędy za pomocą metod edycji genów, które zmieniają kolejność tych liter.
Inne stany nie są spowodowane błędem w samym kodzie, ale problemami z odczytywaniem DNA przez maszynerię komórkową (epigenetyka). Gen, który zapewnia przepis na określone białko, często współpracuje z cząsteczkami zwanymi czynnikami transkrypcyjnymi, które mówią komórce, ile tego białka ma wytworzyć. Kiedy ten proces się nie udaje, nadaktywne lub niedoczynne geny przyczyniają się do cukrzycy, raka i zaburzeń neurologicznych. W rezultacie naukowcy badali sposoby przywrócenia normalnej aktywności epigenetycznej.
Jedną z takich technik jest edycja palca cynkowego, która może zarówno zmieniać, jak i kontrolować geny. Wśród najbardziej rozpowszechnionych struktur białkowych w ludzkim ciele palce cynkowe mogą kierować naprawą DNA, chwytając enzymy podobne do nożyczek i kierując je do wycinania wadliwych segmentów z kodu.
Podobnie palce cynkowe mogą również przyczepiać się do czynników transkrypcyjnych i przyciągać je do segmentu genu wymagającego regulacji. Dostosowując te instrukcje, inżynierowie genetyczni mogą dostosować aktywność każdego genu. Wadą jest jednak to, że sztuczne palce cynkowe są trudne do zaprojektowania do określonego zadania. Ponieważ białka te przyczepiają się do DNA w złożonych grupach, naukowcy musieliby być w stanie powiedzieć – spośród niezliczonych możliwych kombinacji – jak każdy palec cynkowy wchodzi w interakcję z sąsiadem dla każdej pożądanej zmiany genetycznej.
Nowa technologia autorów badania, zwana ZFDesign, pokonuje tę przeszkodę, wykorzystując sztuczną inteligencję (AI) do modelowania i projektowania tych interakcji. Model opiera się na danych wygenerowanych przez ekran prawie 50 miliardów możliwych interakcji palca cynkowego z DNA w laboratoriach naukowców. Raport na temat narzędzia zostanie opublikowany 26 stycznia w czasopiśmie Nature Biotechnology.
„Nasz program może zidentyfikować odpowiednią grupę palców cynkowych dla dowolnej modyfikacji, czyniąc ten rodzaj edycji genów szybszym niż kiedykolwiek wcześniej” – mówi główny autor badań, dr David Ichikawa, były absolwent NYU Langone Health.
Ichikawa zauważa, że edycja palcem cynkowym stanowi potencjalnie bezpieczniejszą alternatywę dla CRISPR, kluczowej technologii edycji genów, której zastosowania sięgają od znajdowania nowych sposobów zabijania komórek rakowych po projektowanie bardziej odżywczych upraw. W przeciwieństwie do całkowicie ludzkich palców cynkowych, CRISPR, który oznacza skupione, regularnie rozmieszczone krótkie powtórzenia palindromiczne, polega na interakcji białek bakteryjnych z kodem genetycznym. Te „obce” białka mogą uruchomić układ odpornościowy pacjentów, który może zaatakować ich jak każdą inną infekcję i doprowadzić do niebezpiecznego stanu zapalnego.
Autorzy badania dodają, że oprócz stwarzania mniejszego ryzyka immunologicznego, mały rozmiar narzędzi z palcem cynkowym może również zapewniać bardziej elastyczne techniki terapii genowej w porównaniu z CRISPR, umożliwiając więcej sposobów dostarczania narzędzi do właściwych komórek u pacjentów.
„Przyspieszając projektowanie palców cynkowych w połączeniu z ich mniejszymi rozmiarami, nasz system toruje drogę do wykorzystania tych białek do kontrolowania wielu genów w tym samym czasie” – mówi główny autor badania, dr Marcus Noyes. „W przyszłości takie podejście może pomóc w leczeniu chorób, które mają wiele przyczyn genetycznych, takich jak choroby serca, otyłość i wiele przypadków autyzmu”.
Aby przetestować kod projektu AI komputera, Noyes i jego zespół użyli dostosowanego palca cynkowego, aby zakłócić sekwencję kodującą genu w ludzkich komórkach. Ponadto zbudowali kilka palców cynkowych, które z powodzeniem przeprogramowały czynniki transkrypcyjne, aby wiązały się w pobliżu docelowej sekwencji genu i zwiększały lub zmniejszały jej ekspresję, co dowodzi, że ich technologia może być wykorzystywana do zmian epigenetycznych.
Noyes, adiunkt na Wydziale Biochemii i Farmakologii Molekularnej na NYU Langone, ostrzega, że choć obiecujące, palce cynkowe mogą być trudne do kontrolowania. Ponieważ nie zawsze są one specyficzne dla pojedynczego genu, niektóre kombinacje mogą wpływać na sekwencje DNA poza określonym celem, prowadząc do niezamierzonych zmian w kodzie genetycznym.
W rezultacie Noyes mówi, że zespół planuje następnie udoskonalić swój program AI, aby mógł tworzyć bardziej precyzyjne grupy palców cynkowych, które tylko podpowiadają pożądaną edycję. Noyes jest także członkiem Instytutu Genetyki Układów Uniwersytetu Nowojorskiego Langone.
Finansowanie badania zostało zapewnione przez granty National Institutes of Health R01GM118851 i R01GM133936. Dalsze finansowanie zostało zapewnione przez grant PJT-159750 Canadian Institutes of Health Research Project, alokację zasobów Compute Canada, stypendium Frederick Banting i Charles Best Canada Graduate Scholarship oraz stypendium Ontario Graduate Scholarship.
Noyes jest współzałożycielem TBG Therapeutics, firmy opracowującej metody projektowania palców cynkowych i stosowania ich w leczeniu chorób o podłożu genetycznym. NYU Langone ma patenty oczekujące (PCT/US21/30267, 63145929) na te narzędzia i podejścia, z których zarówno Noyes, jak i NYU Langone mogą czerpać korzyści finansowe. Warunki tych relacji są zarządzane zgodnie z polityką NYU Langone.
Oprócz Noyesa, inni badacze z NYU zaangażowani w badanie to dr Manjunatha Kogenaru; kwiecień Mueller, BS; dr David Giganti; dr Gregory Goldberg; dr Samantha Adams; dr Jeffrey Spencer; Courtney Gianco; Finnegan Clark, BS; i dr Timothee Lionnet. Inni badacze badania to Osama Abdin, BS; Nader Alerasool, dr; Han Wen, MS; Rozita Razavi, PhD, MPH; dr Satra Nim; dr Hong Zheng; dr Mikko Taipale; i dr Philip Kim z University of Toronto. Główny autor badania, David Ichikawa, przebywa w Pandemic Response Lab w Long Island City w stanie Nowy Jork