Это открытие является первым доказательством того, что основной генетический дефект, ответственный за синдром Дауна, может подавляться в клетках в культуре (in vitro). Это открывает исследователям путь к изучению клеточных патологий и выявлению общегеномных путей, вовлеченных в заболевание, — цель, которая до сих пор оказалась недостижимой. Это улучшит понимание учеными базовой биологии, лежащей в основе синдрома Дауна, и может однажды помочь установить потенциальные терапевтические цели для будущих методов лечения.
Детали исследования Jiang et al. были опубликованы в Интернете в журнале Nature.«За последнее десятилетие были отмечены большие успехи в усилиях по исправлению одногеновых нарушений, начиная с клеток in vitro и в некоторых случаях переходя к in vivo и клиническим испытаниям», — сказала ведущий автор Жанна Б. Лоуренс, доктор философии, профессор клеточных исследований. биология развития. «Напротив, генетическая коррекция сотен генов на всей дополнительной хромосоме осталась вне области возможного.
Мы надеемся, что для людей, живущих с синдромом Дауна, это доказательство принципа открывает множество захватывающих новых возможностей для изучения этого расстройства. сейчас и вводит в сферу рассмотрения исследования концепции «хромосомной терапии» в будущем ».Люди рождаются с 23 парами хромосом, включая две половые хромосомы, всего 46 в каждой клетке. Люди с синдромом Дауна рождаются с тремя (а не двумя) копиями 21 хромосомы, и эта «трисомия 21» вызывает когнитивную инвалидность, болезнь Альцгеймера с ранним началом; и повышенный риск лейкемии у детей, пороков сердца и дисфункции иммунной и эндокринной системы. В отличие от генетических нарушений, вызванных одним геном, генетическая коррекция всей хромосомы в трисомных клетках была невозможна даже в культивируемых клетках.
Используя силу гена РНК под названием XIST, который обычно отвечает за отключение одной из двух Х-хромосом, обнаруженных у самок млекопитающих, ученые UMMS показали, что дополнительная копия хромосомы 21, ответственная за синдром Дауна, может быть отключена в лаборатории с помощью стволовые клетки, полученные от пациентов.Естественная функция гена XIST, расположенного на X-хромосоме, заключается в том, чтобы эффективно заглушать одну из двух X-хромосом в женских клетках, делая экспрессию X-сцепленных генов подобной таковой у мужчин, у которых есть только одна X-хромосома. Большая РНК XIST продуцируется на раннем этапе развития из одной из двух X-хромосом самки, и эта уникальная РНК затем «окрашивает» X-хромосому и изменяет ее структуру, так что ее ДНК не может быть экспрессирована для производства белков и других компонентов. Это фактически делает неактивными большинство генов на дополнительной хромосоме.
Лоуренс и его коллега Лиза Холл, доктор философии, доцент кафедры сотовой связи биология развития, была мотивирована идеей, что этот эффект может быть воспроизведен в дополнительной хромосоме 21 в трисомных клетках.
Цзюнь Цзян, доктор философии, инструктор сотовой связи биологии развития, работал с Лоуренсом, чтобы начать исследовательский проект по вставке гена XIST в одну хромосому 21 при поддержке NIH, финансируемой для высокорисковых и высокоэффективных работ. Они работали, чтобы сделать это на индуцированных плюрипотентных стволовых клетках, полученных из клеток фибробластов, пожертвованных пациентом с синдромом Дауна, потому что стволовые клетки обладают особой способностью формировать различные типы клеток тела. Их работа показала, что большой ген XIST может быть вставлен в указанное место в хромосоме с помощью технологии нуклеазы цинкового пальца (ZFN), ключевого инструмента, предоставленного сотрудниками Sangamo BioSciences, Inc., биотехнологической компании из Ричмонда, Калифорния. Кроме того, , РНК из встроенного гена XIST эффективно подавляла гены на дополнительной хромосоме, возвращая уровни экспрессии генов почти к нормальным и эффективно подавляя хромосому.
Это открытие открывает перед переводчиками множество новых возможностей для изучения синдрома Дауна способами, которые ранее были невозможны. Определение основных клеточных патологий и генных путей, ответственных за синдром, ранее было трудным из-за сложности расстройства и нормальных генетических и эпигенетических различий между людьми и клетками.
Например, некоторые предыдущие исследования показали, что пролиферация клеток у пациентов с синдромом Дауна может быть нарушена, но различия между людьми и клеточными линиями затрудняют окончательный вывод об этом. Контролируя экспрессию гена XIST, Лоуренс и его коллеги смогли сравнить идентичные в остальном культуры клеток с синдромом Дауна с экспрессией дополнительной хромосомы и без нее. Они показали, что клетки с синдромом Дауна имеют дефекты клеточной пролиферации и дифференцировки нервных клеток, оба из которых обращаются замалчиванием одной хромосомы 21 с помощью XIST.
«Это подчеркивает потенциал этой новой экспериментальной модели для изучения множества различных вопросов на разных типах клеток человека и на мышах с синдромом Дауна», — сказал Лоуренс. «Теперь у нас есть мощный инструмент для выявления и изучения клеточных патологий и путей, на которые непосредственно влияет чрезмерная экспрессия хромосомы 21.»«Доктор Лоуренс использовал силу естественного процесса для нацеливания на аномальную экспрессию генов в клетках с аномальным числом хромосом», — сказал Энтони Картер, доктор философии Национального института общих медицинских наук при Национальном институте здравоохранения, который частично поддержал изучение. «Ее работа предоставляет новый инструмент, который может дать новое понимание того, как гены замалчиваются на хромосомном уровне, а также патологические процессы, связанные с хромосомными нарушениями, такими как синдром Дауна».Новые открытия, сделанные с использованием этого подхода, могут однажды определить новые методы лечения хромосомных нарушений, таких как синдром Дауна.
«В краткосрочной перспективе коррекция клеток с синдромом Дауна в культуре ускоряет изучение клеточной патологии и трансляционные исследования в области терапии, но также и в долгосрочной перспективе — потенциальное развитие« хромосомных методов лечения », которые используют эпигенетические стратегии для регулирования хромосом. ", — сказал Лоуренс, — сказал Лоуренс, поскольку терапевтическим стратегиям лечения распространенных хромосомных аномалий, таких как синдром Дауна, слишком долго уделялось слишком мало внимания, ради миллионов пациентов и их семей в США и во всем мире.Лоуренс и его коллеги теперь будут использовать эту технологию, чтобы проверить, может ли хромосомная терапия исправить патологии, наблюдаемые на мышиных моделях синдрома Дауна.