Открытие позволит повысить эффективность исправления генетических мутаций, вызывающих ряд болезней.
Когда несколько лет назад доктор Шрага Шварц рассказывал знакомым, что изучает модификации РНК, большинство из них не понимали, о чем он говорит.
Теперь все изменилось - благодаря вакцинам против COVID-19, которые основаны на химически модифицированных молекулах РНК, этот научный термин вошел практически в каждый дом. Ожидается, что в будущем технологии, основанные на модификациях РНК, выйдут далеко за рамки вакцин и сыграют жизненно важную роль в разработке лекарств от различных заболеваний.
Развивая наше понимание функционирования РНК, Шрага Шварц и его сотрудники из отдела молекулярной генетики Научного института им. Вейцмана обнаружили ключевой принцип, регулирующий естественный тип модификации РНК, известный как "редактирование РНК". Это открытие может в будущем найти применение в медицине лечения генетических заболеваний.
Целью д-ра Шварца было изучение естественного редактирования молекул РНК, при котором некоторые их строительные блоки - нуклеозид аденозин (A) - превращаются в инозин (I), который в свою очередь несет генетическую информацию о строительном блоке ДНК - гуанозине (G). Исследование, проведенное студенткой Анной Узони, раскрыло механизм, который расширяет наше фундаментальное понимание модификаций РНК и может быть использован для исправления часто встречающейся мутации, вызывающей генетические нарушения, когда аденозин в последовательности ДНК занимает место гуанозина. Такие расстройства включают муковисцидоз, анемию Фанкони, тромбофилию и дефицит альфа-1-антитрипсина.
«Наши открытия могут позволить исправить мутацию G-to-A с помощью механизма редактирования, который естественным образом присутствует в клетках, минуя необходимость внедрения посторонних молекулярных механизмов, таких, как CRISPR», - отмечает д-р Шварц.
Молекулы РНК устроены так же, как как ДНК - четыре основания расположены в различных комбинациях, но в отличие от ДНК, они имеют ограниченную продолжительность жизни и по большей части состоят из одной нити, в отличие от двойной спирали ДНК. Однако некоторые части молекул РНК тоже содержат две цепи, и они иногда подвергаются модификациям ферментом под названием ADAR, который превращает некоторые из их оснований A в I. Эти модификации являются частью регулярного обслуживания РНК - возможно, таким образом наш организм "помечает" собственные двухцепочечные РНК как безопасные, в отличие от РНК вирусов.
Шварц хотел понять, как именно ADAR выбирает свои мишени, поскольку таким образом редактируется лишь малая часть оснований A в двухцепочечных РНК. С этой целью Узони и ее коллеги синтезировали около двух тысяч вариантов двунитевой РНК, каждый длиной около 300 оснований, отличающихся друг от друга мутациями, приводящими к небольшим, но систематическим структурным изменениям. Ученые вставили синтезированные варианты в клетки человека, ждали несколько часов, пока ADAR выполнит свою работу, а затем искали изменения, вызванные этим ферментом.
Исследование выявило замечательную закономерность: в каждой из двух тысяч мутировавших РНК ADAR неизменно заменял A на I в месте, которое было на 35 оснований перед мутацией, изменившей двухцепочечную структуру. Замена осуществлялась в обеих цепях РНК и повторялась с фиксированными интервалами в 35 оснований по всей молекуле РНК.
Эту закономерность можно использовать для корректировки генома клетки посредством редактирования РНК, вводя намеренное структурное нарушение на расстоянии 35 пар оснований от мутации G-to-A, которую необходимо исправить. Фактически, ученые уже показали, что этот подход привел к трехкратному увеличению редактирования целевого фрагмента существующими технологиями изменения РНК.
«Редактирование РНК имеет свои преимущества перед методами лечения, которые напрямую влияют на геном», - говорит Узони. «Поскольку молекулы РНК недолговечны, любые изменения, которые они вносят, будут временными. Даже если это означает, что редактирование РНК необходимо будет повторить, это может быть безопаснее, чем внесение постоянных изменений в ДНК».
В исследовании приняли участие д-р Ронит Нир, Ноам Штерн-Гиноссар и Ярон Антеби из отдела молекулярной генетики Института Вейцмана; Офир Шлифер и профессор Эрез Леванон из Университета Бар-Илан, и д-р Йонатан Штельцер из отдела молекулярной клеточной биологии Института Вейцмана.
