RNA מהונדס עקף "אות עצירה" והחזיר ייצור חלבון

מוטציה שמכניסה "נקודת עצירה" מוקדמת לגן יכולה לגרום לתא לקטוע את ייצור החלבון באמצע. מחקר חדש שפורסם ב-Science מציג דרך לעקוף את ההוראה השגויה הזאת באמצעות RNA מעביר מהונדס, ולאפשר לריבוזום להמשיך לקרוא את הקוד עד סוף החלבון.

החוקרים מאוניברסיטת טורונטו, University Health Network ו-SickKids התמקדו במוטציות שטות בגן CFTR, הגורמות בחלק מחולי סיסטיק פיברוזיס לייצור חלבון קצר ולא מתפקד. הם פיתחו suppressor tRNA, או sup-tRNA, שמזהה קודון עצירה מוקדם ומכניס במקומו חומצת אמינו.

במקום לעצור - הריבוזום ממשיך

בתרגום חלבונים רגיל, tRNA מתאים חומצות אמינו לקודונים שעל גבי RNA שליח. כאשר הריבוזום נתקל בקודון עצירה תקין, הוא מסיים את התרגום.

במוטציית שטות נוצר קודון עצירה במקום שבו אמורה להיות חומצת אמינו, ולכן החלבון נקטע מוקדם מדי.

ה-tRNA שהונדס במחקר תוכנן לזהות את אות העצירה המוקדם, להכניס חומצת אמינו ולאפשר לתרגום להימשך.

שינוי כימי חיזק את ה-tRNA

אחד החידושים המרכזיים היה הוספת N1-methyladenosine בנקודה מוגדרת ב-tRNA.

השינוי שיפר את יעילות הקריאה דרך קודון העצירה, הגביר את טעינת ה-tRNA בחומצת האמינו המתאימה, האריך את משך הפעילות והפחית תגובה של מערכת החיסון המולדת.

כלומר, החוקרים לא הסתפקו בתכנון רצף גנטי חדש, אלא שיפרו גם את הכימיה של המולקולה עצמה כדי להפוך אותה לעמידה ופעילה יותר.

הבעיה השנייה הייתה להגיע לריאות

tRNA הוא מולקולה רגישה שאינה חודרת בקלות לתאים. לכן החוקרים פיתחו חלקיקי שומן ייעודיים להעברת ה-tRNA לריאות. הם ביצעו סריקה רחבה של ליפידים יוניזביליים ובחרו פורמולציה שהצליחה להעביר את המטען לרקמת הריאה.

הגישה מיועדת עקרונית למתן בשאיפה, אם כי המחקר עצמו עדיין קדם-קליני.

החלבון חזר להיווצר

המערכת נבדקה בתאי אפיתל של הסימפונות שנשאו מוטציות שטות ב-CFTR. לאחר הטיפול נוצר שוב CFTR מלא, והחוקרים הראו שהוא לא רק קיים אלא גם מתפקד כתעלת יונים.

האפקט נשמר במשך זמן ממושך בתרביות התאים, ובחלק מהניסויים נמדדה פעילות מעבר ל-40 יום.

גם בעכברים ובאברונים

החוקרים המשיכו למודלים עכבריים ול"אברונים" - מבנים זעירים שגודלו מתאים של חולי סיסטיק פיברוזיס ומשחזרים חלק מתכונות הרקמה.

גם שם הצליחה מערכת ה-tRNA להחזיר ביטוי ותפקוד של CFTR.

השילוב של תאים אנושיים, בעל חיים ואברונים שמקורם בחולה מחזק את הוכחת ההיתכנות, אך אינו מחליף ניסוי קליני בבני אדם.

השילוב עם Trikafta היה מעניין במיוחד

באחד ממודלי האברונים היה מבנה גנטי מורכב שלא הגיב היטב לתרופות CFTR הקיימות.

ה-tRNA לבדו החזיר חלק מהחלבון, אבל רק כאשר שולב עם Trikafta התקבל שיפור תפקודי משמעותי יותר.

ההיגיון פשוט: התרופה הקיימת זקוקה לחלבון CFTR מלא שעליו תוכל לפעול. ה-tRNA מאפשר לייצר את החלבון, ואז המודולטור יכול לשפר את תפקודו.

למה הרעיון רחב יותר מסיסטיק פיברוזיס

מוטציות שטות אינן ייחודיות ל-CFTR. הן מופיעות באלפי גנים וקשורות למחלות שריר, הפרעות נירולוגיות, מחלות מטבוליות ומחלות נדירות רבות.

מבחינה גנטית קיימים רק שלושה קודוני עצירה - UAG, UAA ו-UGA. לכן באופן תאורטי ניתן לפתח מספר מצומצם של tRNA מדכאים שמכוונים לכל אחד מסוגי אותות העצירה, במקום טיפול חדש לחלוטין לכל מוטציה.

זהו החזון של "פלטפורמה" טיפולית.

אבל עדיין צריך להוכיח בכל מחלה שהחלבון המשוחזר אכן מיוצר בכמות מספקת, מגיע לרקמה הנכונה ומתפקד.

האתגר הגדול - לא לקרוא דרך עצירות תקינות

אותו tRNA שאמור לעקוף עצירה מוקדמת עלול תאורטית לזהות גם קודוני עצירה תקינים בסוף גנים אחרים.

מצב כזה יכול לגרום להארכת חלבונים מעבר לאורך התקין.

לכן אחד האתגרים המרכזיים הוא ליצור איזון בין קריאה יעילה של קודון מוטנטי לבין שמירה על עצירות טבעיות.

המחקר מספק נתוני סגוליות מעודדים, אך השאלה תידרש לבחינה מקיפה בהרבה לפני טיפול בבני אדם.

גם מערכת ההובלה אינה אוניברסלית

גם אם אותו tRNA מתאים עקרונית למוטציה בכבד, במוח ובריאה, לא בהכרח ניתן להעביר אותו לכל האיברים באותו חלקיק שומן.

במחקר הנוכחי נעשתה הנדסה ייעודית לריאות.

מחלות שריר, מערכת העצבים או הכבד ידרשו ככל הנראה מערכות נשיאה שונות, מינונים אחרים ופרופיל בטיחות נפרד.

לכן "שלושה tRNA לכל המחלות" הוא עדיין חזון מרוחק מאוד.

דלקת הופיעה בניסויי העכברים

אחת ההסתייגויות החשובות היא בטיחות.

בניסויי בעלי החיים נמצאה תגובה דלקתית התלויה במינון. חלקיקי שומן המגיעים לריאות עלולים לעורר דלקת, ובטיפול שאמור להינתן שוב ושוב מדובר בשאלה קריטית.

לכן לפני ניסוי בבני אדם צריך לקבוע מהו המינון היעיל הנמוך ביותר, כמה זמן נמשך האפקט והאם חשיפות חוזרות מצטברות לנזק.

זה לא תיקון של הדנ"א

הטיפול אינו משנה את הגן עצמו.

המוטציה נשארת בדנ"א, אבל ה-tRNA מתערב בשלב שבו התא מתרגם RNA שליח לחלבון.

היתרון האפשרי הוא שאין צורך לבצע עריכה קבועה של הגנום.

החיסרון הוא שההשפעה אינה בהכרח קבועה, ולכן ייתכן שיהיה צורך בטיפולים חוזרים.

סיסטיק פיברוזיס מוכרת היטב בישראל, ובחלק מהאוכלוסיות קיימת שכיחות גבוהה יחסית של נשאות למוטציות ב-CFTR.

אבל החשיבות הישראלית רחבה יותר. מרכזים רפואיים ומכוני מחקר בארץ מטפלים במספר גדול של מחלות גנטיות נדירות, ורבות מהן נגרמות ממוטציות שאין עבורן כיום טיפול ממוקד.

פלטפורמה המסוגלת לעקוף סוג מסוים של מוטציה במקום לפתח תרופה לכל גן בנפרד יכולה להיות משמעותית במיוחד בתחום המחלות הנדירות.

לא טיפול לחולי CF כיום

המחקר אינו ניסוי קליני. אף חולה לא קיבל את ה-tRNA בשאיפה, ואין עדיין מידע על מינון בטוח, משך השפעה בבני אדם, תגובה חיסונית לאורך זמן או יעילות קלינית.

גם לא ידוע אם ניתן להשיג בריאות אנושיות ריכוז מספיק של tRNA בכל אזורי הריאה שנפגעים ב-CF.

לכן אין בסיס לשינוי טיפול בחולים על סמך המחקר.

החידוש הוא השילוב

הרעיון של suppressor tRNA אינו חדש. סקירות בתחום כבר תיארו אותו כאחת האסטרטגיות האפשריות לטיפול במוטציות שטות ב-CFTR, לצד תרופות readthrough ואוליגונוקלאוטידים.

החידוש בעבודה הנוכחית הוא שילוב של שלושה מרכיבים: הנדסה כימית של ה-tRNA, מערכת הובלה מותאמת לריאות והדגמת תפקוד במודלים אנושיים, בעכברים ובאברונים שמקורם בחולה.

פלטפורמה מבטיחה - אבל עדיין בתחילת הדרך

המחקר מראה שאפשר להשתמש ב-tRNA מהונדס כדי לעקוף קודון עצירה מוקדם ולשחזר חלבון מלא ומתפקד.

אם אותה אסטרטגיה תעבור בהצלחה מחקרי בטיחות וניסויים קליניים, היא עשויה לפתוח מסלול טיפולי שאינו תלוי דווקא במחלה אחת אלא בסוג המוטציה.

אבל המרחק בין הוכחת היתכנות במעבדה לבין טיפול רחב באלפי מחלות עדיין גדול.