Однако одним из наиболее многообещающих способов лечения является генная терапия, и для создания этих методов лечения требуются животные модели болезни, которые точно воспроизводят состояние человека.
В новом исследовании, проведенном в сотрудничестве между Пенсильванским университетом и учеными Университета Темпл, были выявлены две естественные генетические мутации у собак, которые приводят к ахроматопсии. Выявив ответственные мутации, они использовали структурное моделирование и молекулярную динамику на суперкомпьютере Titan в Национальной лаборатории Ок-Ридж и суперкомпьютере Stampede в Техасском центре передовых вычислений, чтобы смоделировать, как мутации повлияют на полученный белок, показывая, что мутации дестабилизируют молекулярную структуру. канал, необходимый для передачи светового сигнала.
Полученные данные позволяют по-новому взглянуть на молекулярную причину этой формы слепоты, а также представляют новые возможности для проведения доклинических оценок лечебной генной терапии ахроматопсии как у собак, так и у людей.
«Наша работа на собаках in vitro и in silico показывает нам последствия этих мутаций в нарушении функции этих важнейших каналов», — сказала Карина Гузевич, старший автор исследования и старший научный сотрудник Школы ветеринарной медицины Пенна. "Все, что мы обнаружили, говорит о том, что генная терапия будет лучшим подходом к лечению этого заболевания, и мы с нетерпением ждем этого следующего шага."
Исследование было опубликовано в журнале PLOS ONE, в соавторстве с Эмили Ви Пенн Вет. Дутроу и Наото Танака из Храма. Среди других соавторов Penn Vet — Густаво Д. Агирре, Кейко Миядера, Шелби Л. Рейнштейн, Уильям Р. Крамли и Маргрет Л. Casal. В команду Темпла, все из Колледжа науки и технологий, входили Люси Делмотт, Кристофер М. МакДермейд, Майкл Л. Кляйн и Жаклин С. Танака.
Кристофер Дж. Диксон из Veterinary Vision в Соединенном Королевстве также внесла свой вклад.
Исследование началось с немецкой овчарки, которую доставили в больницу Райана Пенн Вет.
Владельцы беспокоились о его видении.
«У этой собаки классическая потеря зрения конуса; она не могла хорошо видеть при дневном свете, но не имела проблем в условиях тусклого света», — сказал Агирре, профессор медицинской генетики и офтальмологии в Penn Vet.
Исследователи Penn Vet хотели определить генетическую причину, но у собаки не было ни одного из «обычных подозреваемых», известных генных мутаций, ответственных за ахроматопсию у собак. Чтобы найти новую мутацию, ученые изучили пять ключевых генов, которые играют роль в фототрансдукции, или процессе, посредством которого световые сигналы передаются через глаз в мозг.
Они нашли то, что искали, в гене CNGA3, который кодирует циклический нуклеотидный канал и играет ключевую роль в передаче визуальных сигналов. Изменение было «миссенс-мутацией», означающей, что мутация приводит к образованию другой аминокислоты. Между тем, они услышали от коллеги Диксона, что он обследовал лабрадоров-ретриверов с похожими симптомами.
Когда команда Пенна провела тот же генетический анализ, они обнаружили другую мутацию в той же части того же гена, где была обнаружена мутация пастуха. Ни одна из мутаций ранее не была охарактеризована у собак.
«Следующим шагом было пойти дальше и посмотреть на последствия этих конкретных мутаций», — сказал Гузевич.
У группы было преимущество использования суперкомпьютеров Titan и Stampede, которые могут моделировать модели атомной структуры белков и тем самым выяснять, как белок может функционировать. Эта работа показала, что обе мутации нарушили функцию канала, сделав его нестабильным.
«Вычислительный подход позволяет нам моделировать вплоть до атомарного уровня, как небольшие изменения в последовательности белка могут иметь большое влияние на передачу сигналов», — сказал МакДермейд, доцент кафедры исследований в Институте вычислительной молекулярной науки Темпла. "Затем мы можем использовать эти идеи, чтобы помочь нам понять и усовершенствовать нашу экспериментальную и клиническую работу."
Исследователи Храма воссоздали эти мутировавшие каналы и показали, что один из них приводит к потере функции канала.
Дальнейшие эксперименты in vitro показали, что вторая мутация привела к неправильной маршрутизации каналов внутри клетки.
Исследователи Penn Vet добились успеха в лечении различных форм слепоты у собак с помощью генной терапии, создав основу для лечения человеческой слепоты.
При ахроматопсии человека в гене CNGA3 было идентифицировано около 100 различных мутаций, в том числе та же самая, что и у немецкой овчарки в этом исследовании.
Таким образом, полученные результаты закладывают основу для разработки конструкций для генной терапии, которые могут воздействовать на эту форму слепоты с использованием того же подхода.