מהנדסים מאוניברסיטת פנסילבניה ואוניברסיטת רייס חידדו טכנולוגיה לעריכת "צמדי בסיס" גנטיים בודדים לרמת דיוק חדשה, ופתחו את הדלת לטיפולים בטוחים ואמינים יותר עבור מגוון רחב של מחלות גנטיות, ולטיפולים פוטנציאליים עבור חלק מחולי סיסטיק פיברוזיס שעשויים להניב תוצאות טובות יותר מהטיפולים הקיימים.
בניגוד למחלות זיהומיות, שרבות מהן מגיבות לאותם טיפולים – כמו אנטיביוטיקה המנטרלת מספר סוגים של חיידקים – מחלות גנטיות דורשות לרוב טיפולים ספציפיים ביותר, שיכולים להשתנות מחולה לחולה, אפילו לאותה מחלה.
"יותר מאלף מוטציות גנטיות שונות עלולות לגרום לסיסטיק פיברוזיס", אומרת שו "שרי" גאו, פרופסור חבר נשיאותי פן קומפקטי בהנדסה כימית וביו-מולקולרית (CBE) ובביו-הנדסה (BE) בתוך Penn Engineering, ומחבר בכיר במאמר חדש ב- טיפול מולקולרי מתאר את ההתקדמות. "העובדה שמוטציות שונות דורשות כלים מתקינים מובהקים מדגישה את החשיבות של רפואה מדויקת".
במילים אחרות, כדי לטפל במצבים כמו סיסטיק פיברוזיס, החוקרים צריכים לפתח חבילת כלים, ולא טיפול יחיד. אבל גם כשמדענים יודעים בדיוק איזו אות DNA הם רוצים לשנות, טכנולוגיות עריכת הגנים של היום יכולות לשנות בלי כוונה גם אותיות סמוכות, ולהציג מוטציות של "צופה מהצד" שמעוררות חששות בטיחותיים.
"זה קצת כמו לערוך מסמך", אומר גאו. "אנחנו כבר יכולים לזהות ולהחליף אות מסוימת במילה ספציפית. איך אנחנו משנים רק המכתב האחד הזה מבלי לשנות בטעות את האותיות שלידו?"
האתגר של החלפת Cs עבור Ts
אחת הסיבות השכיחות למחלות גנטיות, כולל סיסטיק פיברוזיס, היא החלפה מקרית של בסיס נוקלאוטיד אחד – "אות" בודדת בקוד הגנטי – באחר.
"במקרים מסוימים, האות צריכה להיות T", אומר טיילר סי. דניאל, מועמד לדוקטורט פן הנדסה ב-CBE ומחבר ראשון במאמר החדש, בהתייחסו לטימין, אחד מארבעת הבסיסים ב-DNA האנושי, יחד עם אדנין (A), גואנין (G) וציטוזין (C). "במקום זאת, מדובר ב-C, שעלול לפגוע או לבטל לחלוטין את תפקוד הגן, ולהוביל למחלה".
אמנם כבר ניתן להשתמש בעורכי כדי לשנות את ה-C ל-T, כולל עורך זוג-בסיסים שאותם חוקרים המציאו ב-2020, ואפילו לשנות באופן סלקטיבי רק אחד משני Cs צמודים, בעיות מתעוררות כאשר זוגות מרובים של ציטוזינים מופיעים קרוב זה לזה, בדפוסי "CC … CC", מופרדים על ידי רק כמה זוגות בסיסים אחרים.
האתגר אינו תיאורטי כמעט: בין עשרות אלפי המוטציות המוכרות של C-to-T ו-T-to-C המוכרות למחלות מסוג זה של עורך זוג-בסיסים יכול להתמודד, שלושה רבעים מערבים זוגות ציטוזין מרובים המקובצים יחד.
הנושא הוא דיוק. איך אתה מגביל את העורך כך שהוא ישנה רק את האות C הממוקדת שאתה רוצה וישאיר את השכנים שלו לבד?"
טיילר סי דניאל, מועמד לדוקטורט של פן הנדסה ב-CBE
הנדסת עורך מדויק יותר
על מנת לשנות אותיות ב-DNA, עורכי זוג בסיסים משלבים שתי פונקציות חיוניות: רכיב אחד שמאתר רצף ספציפי בגנום ומרכיב אחר שמשנה DNA. שני החלקים הללו מחוברים פיזית על ידי קטע של מולקולות המכונה "המקשר".
בדיוק כפי שאורך הרצועה של כלב קובע כמה רחוק הוא יכול להתרחק מבעליו, תכונות המקשר מכתיבות באיזו חופש תנועה האנזים שמבצע עריכת DNA באתר היעד.
על ידי קיצור והקשחת הקישור, הצוות הגביל למעשה את טווח ההגעה של האנזים. "הידקנו למעשה את הרצועה כדי להבטיח שרק היעד שלנו נערך", אומר דניאל.
החוקרים גם שינו את מידת האינטראקציה של עורך זוג הבסיסים עם ה-DNA, והחלישו את נטייתו לפעול על אותיות שכנות.
בבדיקות מעבדה בתאים אנושיים, העורך המחודש הוביל להפחתה דרמטית בעריכות של עוברי אורח לא מכוונים: הגרסה המדויקת ביותר הפחיתה את המוטציות של הצופים מהצד ביותר מ-80%, תוך שמירה על רמות גבוהות של פעילות העורך המקורי באתר היעד.
לקראת טיפול קבוע בסיסטיק פיברוזיס
סיסטיק פיברוזיס נגרמת על ידי מוטציות בגן השולט כיצד תאים המצפים את הריאות מעבירים מלח ומים פנימה והחוצה. כאשר תהליך זה מתפרק, ריר סמיך מצטבר בריאות, מה שמקשה על הנשימה ומשאיר את החולים חשופים לזיהומים חוזרים ונשנים.
בעוד שתרופות שפותחו בשנים האחרונות, כמו Trikafta, שינו את החיים עבור אנשים רבים עם סיסטיק פיברוזיס, התרופות חייבות להילקח מדי יום ויכולות לשאת עלויות שנתיות מדהימות. מכיוון שרבות מהמוטציות הגורמות לסיסטיק פיברוזיס כרוכות בשינויים באות DNA בודדת בלבד, עורכי זוג בסיסים יכולים, באופן עקרוני, לסייע בטיפול במחלה, גם כאשר Trikafta אינו יעיל – אבל רק אם הם יכולים להימנע מגרימת מוטציות מזיקות מחוץ למטרה.
"הצלחנו להכניס מוטציות ספציפיות של סיסטיק פיברוזיס לתאי אפיתל אנושיים הרלוונטיים למחלה, וליצור מודלים של תאים שישפרו את ההבנה שלנו", אומר גנג באו, פרופסור משפחת פויט לביו-הנדסה באוניברסיטת רייס ושותף בכיר במחקר. "הצלחנו גם להפוך את המוטציות הללו ולהראות תפקודים סלולריים משופרים באמצעות אותו עורך, והדגים את רמת השליטה המדויקת של עריכת גנים שהטכנולוגיה הזו מציעה כעת ואת הפוטנציאל של עורכי זוג בסיסים לטיפול במחלה."
העבודה נותרה בשלב מוקדם, פרה-קליני. ובכל זאת, במספר אתרים גנטיים הקשורים לסיסטיק פיברוזיס המשפיעים על תת-קבוצה של חולי סיסטיק פיברוזיס, העורך המעודן הפחית עריכות לא מכוונות של עוברי אורח מ-50-60% לפחות מ-1%, תוך שימור במידה רבה את השינוי הרצוי ב-DNA.
על ידי תיקון ישיר של השגיאה הגנטית הבסיסית, השיטה מצביעה על אפשרות של טיפול ארוך טווח, שעלול להיות קבוע. "ככל שנוכל לעשות את הכלים האלה מדויקים יותר", מוסיף באו, "כך גדל הפוטנציאל שלהם לשנות את אופן הטיפול במחלות גנטיות ברמת יעילות ובטיחות גבוהה".
ערכת כלים רחבה יותר למחלות גנטיות
מעבר לסיסטיק פיברוזיס, עורך הבסיס המעודן יכול לעזור לחוקרים להתמודד עם מגוון רחב של מחלות גנטיות הנגרמות על ידי שינויים ב-DNA באות אחת. מכיוון שהכלי מאפשר למדענים להציג – ולתקן – מוטציות ספציפיות בדיוק רב יותר, הוא מציע דרך רבת עוצמה לחקור כיצד וריאנטים גנטיים בודדים משפיעים על מחלות ותגובת תרופות.
יכולת זו חשובה במיוחד עבור מוטציות נדירות, אשר עשויות להשפיע רק על מספר קטן של חולים וקשה לחקור באמצעות ניסויים קליניים גדולים. על ידי יצירת מודלים תאיים מדויקים של אותן מוטציות במעבדה, החוקרים יכולים לבדוק תרופות קיימות, לחקור אסטרטגיות טיפוליות חדשות ולהתחיל לזהות אילו טיפולים צפויים לעבוד עבור חולים ספציפיים.
"היכולת לדגמן במדויק מוטציות הגורמות למחלות נותנת לנו חלון הרבה יותר ברור לאופן שבו המוטציות הללו מתנהגות, כולל איך הן עשויות להגיב לטיפולים שונים", אומר גאו. "סוג זה של תובנה חיונית להתקדם לעבר גישות אישיות יותר לטיפול במחלות גנטיות."
