Возможность заменять один ген на другой в линии живых стволовых клеток перешла из научной фантастики в реальность только в течение этого десятилетия. Как и любая новая технология, она приносит с собой как многообещающие перспективы – например, надежду на исправление болезнетворных генов у людей, – так и вопросы и опасения по поводу безопасности. Теперь ученые Солка развеяли одну из этих проблем: использование методов редактирования генов на стволовых клетках не увеличивает общее количество мутаций в клетках. Новые результаты были опубликованы 3 июля в журнале Cell Stem Cell.
"Возможность точно модифицировать ДНК стволовых клеток значительно ускорила исследования болезней человека и клеточной терапии," говорит старший автор Хуан Карлос Изписуа Бельмонте, профессор лаборатории экспрессии генов Солка. "Чтобы успешно применить эту технологию в клинике, нам сначала необходимо тщательно изучить безопасность этих модифицированных стволовых клеток, такую как стабильность их генома и мутационная нагрузка."
Когда ученые хотят изменить последовательность участка ДНК внутри клеток – либо для исследовательских целей, либо для исправления генетической мутации в терапевтических целях – у них есть выбор из двух методов. Они могут использовать сконструированный вирус для доставки нового гена в клетку; Затем клетка интегрирует новую последовательность ДНК вместо старой. Или ученые могут использовать так называемые целевые нуклеазы, такие как белки TALEN, которые разрезают ДНК в любом желаемом месте. Исследователи могут использовать белки, чтобы вырезать ген, который они хотят заменить, а затем добавить в смесь новый ген. Механизмы естественного восстановления клетки вставят новый ген на место.
Ранее лаборатория Бельмонте была пионером в использовании модифицированных вирусов, называемых хелпер-зависимыми аденовирусными векторами (HDAdV), для исправления генной мутации, вызывающей серповидно-клеточную анемию, одно из самых серьезных заболеваний крови в мире. Он и его сотрудники использовали HDAdV для замены мутировавшего гена в линии стволовых клеток версией без мутантов, создавая стволовые клетки, которые теоретически можно было бы вливать в костный мозг пациентов, чтобы их тела создавали здоровые клетки крови.
Однако, прежде чем такие технологии будут применены к людям, такие исследователи, как Бельмонте, хотели знать, существует ли риск редактирования генов в стволовых клетках. Несмотря на то, что оба распространенных метода редактирования генов показали свою точность при изменении правильного участка ДНК, ученые обеспокоены тем, что этот процесс может сделать клетки более нестабильными и склонными к мутациям в несвязанных генах, например тех, которые могут вызвать рак.
"Поскольку клетки перепрограммируются в стволовые клетки, они, как правило, накапливают множество мутаций," говорит Мо Ли, научный сотрудник лаборатории Бельмонте и автор новой статьи. "Поэтому люди, естественно, беспокоятся, что любой процесс, который вы выполняете с этими клетками in vitro, включая редактирование генов, может привести к еще большему количеству мутаций."
Чтобы выяснить, так ли это, группа Бельмонте в сотрудничестве с BGI и Институтом биофизики Китайской академии наук в Китае обратилась к линии стволовых клеток, содержащих мутировавший ген, вызывающий серповидно-клеточную анемию. Они отредактировали гены некоторых клеток, используя один из двух дизайнов HDAdV, отредактировали гены других, используя один из двух белков TALEN, и оставили остальные клетки в культуре, не редактируя их. Затем они полностью секвенировали весь геном каждой клетки после четырех изменений и контрольного эксперимента.
Хотя во время экспериментов все клетки приобрели низкий уровень случайных генных мутаций, клетки, подвергшиеся редактированию генов – будь то с помощью подходов на основе HDAdV или TALEN – имели не больше мутаций, чем клетки, хранящиеся в культуре.
"Мы были приятно удивлены результатами," Кейитиро Судзуки, научный сотрудник лаборатории Бельмонте и автор исследования, говорит:. "Люди обнаружили тысячи мутаций, введенных при перепрограммировании ИПСК. Мы нашли менее сотни однонуклеотидных вариантов во всех случаях."
Это открытие, добавляет Ли, не обязательно означает, что использование стволовых клеток с отредактированными генами не сопряжено с риском, но процесс редактирования не делает стволовые клетки менее безопасными.
"Мы пришли к выводу, что риск мутации не связан с редактированием генов," он говорит. "Эти клетки представляют те же риски, что и любые другие клетки, используемые для клеточной или генной терапии." Он добавляет, что две другие статьи, опубликованные в том же выпуске, подтверждают их результаты (одна из Университета Джона Хопкинса, а другая из Гарвардского университета и соавторов).
Группа Бельмонте планирует дополнительные исследования, чтобы выяснить, может ли репарация генов в других типах клеток с использованием других подходов или нацеливания на другие гены с большей или меньшей вероятностью вызывать нежелательные мутации. На данный момент они надеются, что их результаты побудят тех, кто в этой области, продолжать использовать методы редактирования генов как потенциальный способ лечения генетических заболеваний в будущем.
Другими исследователями, участвовавшими в исследовании, были Цзин Ку, Эйприл Гёбл, Эми Айзава, Рупа Деви Солигалла, Джессика Ким, На Ён Ким, Син-Кай Ляо, Крис Беннер и Консепсьон Родригес Эстебан из Института биологических исследований Солка; Чанг Ю, Сяотянь Яо, Сенвэй Тан, Фань Чжан, Фэн Чен, Ябинь Цзинь и Инжуй Ли из BGI; и Цзин Цюй, Тинтин Юань, Руотун Рен, Сюлин Сюй и Гуан-Хуэй Лю из Института биофизики Китайской академии наук.