Благодаря новым РНК-вакцинам мы, люди, смогли невероятно быстро защитить себя от новых вирусов, таких как SARS-CoV-2, вирус, вызывающий COVID-19. Эти вакцины вводят часть эфемерного генетического материала в клетки организма, которые затем считывают его код и производят определенный белок — в данном случае контрольные «шипы», которые усеивают внешнюю часть коронавируса — настраивая иммунную систему на борьбу с будущими захватчиками. .

Этот метод эффективен и перспективен для всех видов терапии, говорит Эрик Касенит, аспирант биоинженерии в Стэнфорде. На данный момент, однако, такого рода РНК-терапия не может фокусироваться на конкретных клетках. После инъекции в организм они без разбора производят закодированный белок в каждой клетке, в которую проникают. Если вы хотите использовать их для лечения только одного типа клеток — например, внутри раковой опухоли — вам понадобится что-то более точное.

Касенит и его советник, доцент кафедры химического машиностроения Сяоцзин Гао, возможно, нашли способ сделать это возможным. Они создали новый инструмент под названием «сенсор» РНК — нить лабораторной РНК, которая раскрывает свое содержимое только при попадании в определенные ткани организма. Этот метод настолько точен, что может ориентироваться как на типы клеток, так и на их состояния, активируясь только тогда, когда клетка-мишень создает определенную РНК, говорит Гао. Пара опубликовала свои выводы 5 октября в журнале Nature Biotechnology .

Впервые вы можете напрямую заставить только нужные клетки производить белок при очень специфических обстоятельствах. Раньше такая точность была невозможна».

Сяоцзин Гао, доцент химического машиностроения

Образующийся белок может быть антигеном — чужеродным веществом, вызывающим иммунный ответ — как в случае с вакцинами, ферментом, восстанавливающим функцию поврежденной клетки, флуоресцентным белком, который можно использовать для отслеживания конкретных клеток в научных исследованиях, или белок, который вызывает гибель клеток для удаления патогенных или иным образом нежелательных клеток, среди прочих возможностей.

Использование иммунной системы

Новая система пары, получившая название RADAR, по существу состоит из двух частей: «сенсорной» области, которая фиксируется на определенных РНК в организме, и области «полезной нагрузки», которую клетка будет считывать и преобразовывать в белок. Две секции разделены стоп-кодоном, частью последовательности РНК, которая делает недоступным фрагмент генетического кода RADAR.

Если сенсорная область RADAR успешно зафиксируется на своей цели, стоп-кодон исчезнет, ​​и оставшаяся область — ее «полезная нагрузка» — внезапно станет читаемой. Теоретически эта полезная нагрузка может содержать инструкции по производству любого белка в клетках любого типа в любое время.

По словам Гао, этот процесс происходит благодаря существующему набору ферментов под названием ADAR (аденозиндезаминаза, действующая на РНК) — побочный продукт продолжающейся вирусной гонки вооружений, которая бушевала в человеческом организме на протяжении тысячелетий.

Некоторые вирусы, такие как SARS-CoV-2, грипп и норовирус, представляют собой просто белковую оболочку с РНК внутри. В процессе репликации эти вирусы создают очень длинные участки двухцепочечной РНК. Поскольку вирусы могут оказывать разрушительное воздействие на организм, наша иммунная система постепенно научилась видеть в этих двухцепочечных РНК угрозу и быстро нейтрализует их.

«Это своего рода сигнал опасности — если клетка увидит двухцепочечную РНК, она тут же испугается», — говорит Касенийт.

Однако по странному повороту эволюции наши собственные тела также производят двухцепочечную РНК. Поскольку вирусы атаковали нас на протяжении тысячелетий, проникая в наши клетки и играя с нашим генетическим механизмом, некоторые из их генов были поглощены и включены в нашу ДНК. (Это не случайность: в прошлом случалось так много раз, что сегодня геном человека почти на 8% состоит из вирусов.)

Чтобы решить эту проблему, ADAR превратился в своего рода «тестовую» систему — способ для тела определить, является ли фрагмент двухцепочечной РНК другом или врагом. Если он находит один, созданный нашим собственным геномом, ADAR немного редактирует его, чтобы он выглядел менее угрожающим, в результате чего между двумя нитями открываются отверстия или промежутки, как удаление нескольких стежков в середине шва ткани. Иммунная система, которой нужно поджарить рыбу покрупнее, сразу же игнорирует эту рваную на вид РНК и продолжает сражаться с настоящим врагом.

RADAR использует этот механизм. Когда его «сенсорный» модуль цепляется за конкретную молекулу-мишень (другой фрагмент РНК), ADAR воспринимает получившуюся двухцепочечную пару как дружелюбную, безвредную разновидность и добросовестно редактирует ее, чтобы иммунная система ее игнорировала. При этом он стирает крошечный молекулярный знак «стоп», который исследователи встроили в середину нити РНК. После удаления секция полезной нагрузки RADAR становится видимой для ячейки, а содержащийся в ней код превращается в белок.

Потенциал для новых программируемых методов лечения

В настоящее время Kaseniit, Gao и их сотрудники все еще тестируют RADAR в различных условиях, но результаты выглядят многообещающе. Вместе с соавторами, адъюнкт-профессором химического машиностроения Элизабет Саттели и постдоками Диего Венджером и Уиллом Коди, они даже опробовали его на растениях, у которых в природе нет систем ADAR, но после добавления ферментов ADAR в смесь они смогли получить одинаковые результаты. По их словам, в будущем гибкость и точность RADAR могут стать ценным инструментом как в исследованиях, так и в медицине, давая ученым возможность находить конкретные клетки в лаборатории или проводить лечение внутри организма.

«Это надежда и мечта о РНК как о платформе, потому что вы можете просто закодировать любой белок, который вы хотите, на фрагменте РНК, и клетки сделают его. Теперь с помощью этих элементов управления мы можем указать, в какой клетке-мишени он будет активирован. Это очень мощно», — говорит Касенит.