Ученые Медицинской школы Университета Северной Каролины создали новый мощный метод «направленной эволюции» для быстрого развития научных инструментов и новых методов лечения многих заболеваний.
Ученые, о прорыве которых сообщается в журнале Cell, продемонстрировали технику, разработав несколько белков для выполнения новых точных задач, каждый раз делая это в течение нескольких дней. Существующие методы направленной эволюции более трудоемки и требуют больше времени, и обычно применяются в бактериальных клетках, что ограничивает полезность этой технологии для эволюции белков для использования в клетках человека.
Направленная эволюция - это искусственная, ускоренная версия процесса эволюции в природе. Идея состоит в том, чтобы сосредоточить эволюционный процесс на одной последовательности ДНК, чтобы заставить ее выполнять определенную задачу. В принципе, направленную эволюцию можно использовать для создания новых терапевтических средств, которые эффективно останавливают болезни и практически не имеют побочных эффектов. Первоначальная новаторская научная работа по направленной эволюции получила Нобелевскую премию по химии в 2018 году.
«То, что мы разработали, является самой надежной системой для направленной эволюции в клетках млекопитающих», - сказал ведущий автор исследования Джастин Инглиш, доктор философии, научный сотрудник отдела фармакологии Медицинской школы Университета Северной Каролины.
«Научное сообщество давно нуждалось в подобном инструменте», - сказал старший автор исследования Брайан Л. Рот, доктор медицинских наук, почетный профессор Майкла Хукера на кафедре фармакологии Медицинской школы Университета Северной Каролины.. «Мы верим, что наша методика ускорит исследования и в конечном итоге приведет к созданию более эффективных методов лечения людей, страдающих многими заболеваниями, от которых нам требуется гораздо более эффективное лечение."
Широкая концепция направленной эволюции не нова. Исследователи веками применяли его для отбора и разведения вариантов животных и растений, обладающих желаемыми характеристиками, таких как сорта сельскохозяйственных культур с более крупными плодами. Биологи в последние десятилетия также использовали направленную эволюцию на молекулярном уровне в лаборатории, например, путем случайной мутации гена до тех пор, пока не появится вариант, обладающий желаемым свойством. Но в целом методы направленной эволюции биологических молекул сложны в применении и ограничены в применении.
Новый метод, разработанный Ротом, Инглишем и его коллегами, сравнительно быстр, прост и универсален. Он использует вирус Синдбис в качестве носителя гена, подлежащего модификации. Вирус со своим генетическим грузом может заражать клетки в культуральной чашке и довольно быстро мутировать. Исследователи создали такие условия, чтобы процветали только те мутантные гены, которые кодируют белки, способные выполнять желаемую функцию в клетках, например, активировать определенный рецептор или включать определенные гены. Поскольку система работает в клетках млекопитающих, ее можно использовать для создания новых человеческих, мышиных или других белков млекопитающих, которые было бы обременительно или невозможно создать с помощью традиционных методов на основе бактериальных клеток.
Инглиш и его коллеги называют новую систему «VEGAS» для вирусной эволюции генетически активируемых последовательностей. В ходе первоначальной демонстрации лаборатория Рота модифицировала белок, называемый трансактиватором тетрациклина (tTA), который работает как переключатель для активации генов и является стандартным инструментом, используемым в биологических экспериментах. Обычно tTA перестает работать, если сталкивается с антибиотиком тетрациклином или близкородственным доксициклином, но исследователи разработали новую версию с 22 мутациями, которая позволяет tTA продолжать работать, несмотря на очень высокие уровни доксициклина. Процесс занял всего семь дней.
«Чтобы понять, насколько это эффективно, учтите, что ранее описанный метод направленной эволюции млекопитающих, примененный к трансактиватору тетрациклина, занял четыре месяца, чтобы получить всего две мутации, которые придали лишь частичную нечувствительность к доксициклину», - сказал Инглиш.
Затем ученые применили VEGAS к распространенному типу клеточных рецепторов, называемых рецепторами, связанными с G-белками (GPCR). В клетках человека существуют сотни различных GPCR, и многие из них используются современными препаратами для лечения самых разных состояний. То, как именно данный GPCR меняет форму, когда он переходит из неактивного состояния в активное, представляет большой интерес для исследователей, пытающихся создать более точные методы лечения. Инглиш и его коллеги использовали VEGAS для быстрой мутации малоизученного GPCR под названием MRGPRX2, чтобы он оставался в постоянно активном состоянии.
«Идентификация мутаций, которые произошли во время этой быстрой эволюции, помогает нам впервые понять ключевые области рецепторного белка, участвующие в переходе в активное состояние», - сказал Инглиш.
В финальной демонстрации команда продемонстрировала потенциал VEGAS для более непосредственного управления разработкой лекарств. Они использовали VEGAS для быстрой эволюции небольших биологических молекул, называемых нанотелами, которые могли активировать различные GPCR, включая рецепторы серотонина и дофамина, которые находятся в клетках мозга и являются мишенями для многих психиатрических препаратов.
В настоящее время команда использует VEGAS для разработки высокоэффективных инструментов редактирования генов, которые потенциально могут использоваться для лечения генетических заболеваний, а также для создания нанотел, способных нейтрализовать вызывающие рак гены.