Митохондриальные заболевания – это наследуемые по материнской линии генетические нарушения, которые вызывают широкий спектр изнурительных состояний и в настоящее время неизлечимы. В исследовании, опубликованном 23 апреля в журнале Cell, исследователи Института Солка сообщают о первой успешной попытке использования технологии редактирования генов для предотвращения передачи мутированной митохондриальной ДНК, связанной с множественными митохондриальными заболеваниями человека, от матери к потомству у мышей.
"Этот метод основан на однократной инъекции мРНК в ооциты матери или ранние эмбрионы и поэтому может быть легко реализован в клиниках ЭКО [экстракорпорального оплодотворения] по всему миру," сказал старший автор исследования Хуан Карлос Изписуа Бельмонте из Института биологических исследований Солка. "Поскольку мутации в митохондриальной ДНК также вызывают нейродегенеративные расстройства, рак и старение, наша технология потенциально может иметь широкое клиническое значение для предотвращения передачи болезнетворных мутаций будущим поколениям."
Митохондрии известны как электростанция клетки, потому что они генерируют большую часть энергии клетки. Каждая клетка в организме содержит от 1000 до 100000 копий митохондриальной ДНК, которая передается исключительно по наследству от матери. У большинства пациентов с митохондриальным заболеванием мутировавшие и нормальные молекулы митохондриальной ДНК смешиваются в клетках. Высокий процент мутированной митохондриальной ДНК может привести к дегенерации и катастрофическому отказу различных органов, что приведет к серьезным проблемам со здоровьем, таким как судороги, деменция, диабет, сердечная недостаточность, дисфункция печени, потеря зрения и глухота.
В настоящее время методы профилактики передачи митохондриальных заболеваний от матери к ребенку ограничены. В то время как генетический скрининг эмбрионов лишь частично снижает риск передачи митохондриальных заболеваний, подход, называемый заместительной митохондриальной терапией, при которой здоровые митохондрии предоставляются другим донором, оценивается в США и вскоре будет разрешен в Великобритании, но с этической точки зрения , безопасность и медицинские проблемы, потому что это связано с объединением генетического материала от трех разных людей.
В новом исследовании Бельмонте и его команда продемонстрировали терапевтическую перспективу альтернативного подхода, который позволяет напрямую корректировать мутированную ДНК в митохондриях с помощью ферментов, разрезающих ДНК, называемых эндонуклеазами рестрикции и TALEN. Такой подход к редактированию генов может быть безопаснее, проще и этичнее, чем митохондриальная заместительная терапия, поскольку он не требует донорских яйцеклеток. Ферменты предназначены для нацеливания на конкретную мутированную последовательность ДНК и введения точного разреза, который разрушает мутированную митохондриальную ДНК, оставляя нормальную митохондриальную ДНК нетронутой, тем самым смещая баланс в сторону здорового генетического состояния митохондрий.
Чтобы проверить этот подход, исследователи использовали модель мыши, которая несет два разных типа митохондриальной ДНК, и разработали TALEN и эндонуклеазы рестрикции для нацеливания и разрушения только одного типа митохондриальной ДНК в яйцах этих мышей. Этот подход снижает уровни целевой митохондриальной ДНК, сохраняя при этом нецелевую митохондриальную ДНК. Затем инъецированные мышиные эмбрионы, которые демонстрировали нормальный паттерн развития, были перенесены самкам мышей, от которых родились здоровые детеныши с низким уровнем целевой митохондриальной ДНК в различных органах. Кроме того, детеныши демонстрировали нормальное поведение, митохондриальную функцию и целостность генома. Более того, сами потомки родили детенышей, которые показали едва обнаруживаемые уровни целевой митохондриальной ДНК, что демонстрирует потенциал этого подхода для предотвращения передачи митохондриальных заболеваний из поколения в поколение.
Чтобы подтвердить клиническую значимость этой стратегии, исследователи затем проверили и протестировали TALEN, предназначенные для нацеливания на мутации митохондриальной ДНК человека, вызывающие два расстройства: наследственную оптическую невропатию и дистонию Лебера (LHOND) и нейрогенную мышечную слабость, атаксию и пигментный ретинит (NARP). Этот подход привел к значительному сокращению мутированной митохондриальной ДНК в яйцах мышей, содержащих генетический материал из клеток пациента. "Мы ожидаем, что этот метод снизит процент мутировавшей митохондриальной ДНК ниже порогового значения для запуска митохондриальных заболеваний у людей," Бельмонте говорит.
Но до начала каких-либо клинических испытаний необходимо будет оценить безопасность и эффективность метода на яйцах от пациентов с митохондриальными заболеваниями. Для достижения этой цели команда Бельмонте сотрудничает с несколькими клиниками ЭКО, чтобы протестировать эту технологию на излишках человеческих яйцеклеток, которые передаются пациентами с митохондриальными заболеваниями для исследовательских целей.
"По нашему мнению, из-за сотен тысяч копий митохондриальной ДНК, присутствующей в яйцах человека, и того факта, что двухцепочечные разрывы в митохондриальной ДНК обычно приводят к устранению этих молекул, мы считаем, что избирательное удаление мутированной митохондриальной ДНК в зародышевой линии может быть безопаснее, чем редактирование ядерного генома, и, следовательно, может стать отправной точкой для изучения и использования этих новых технологий на человеческих эмбрионах," Бельмонте говорит.