En skildring av DNA:s dubbelspiralformade struktur. Dess fyra kodningsenheter (A, T, C, G) är färgkodade i rosa, orange, lila och gula. Kredit:NHGRI
Med hjälp av en molekyl utformad för att övervinna en vägspärr som bildas av en vanlig typ av genetiska brist, Forskare vid University of Wisconsin-Madison har gjort framsteg mot nya molekylära behandlingar för Friedreichs ataxi - en sällsynt men dödlig sjukdom - i laboratorieskålen och hos djur.
Friedreichs, som minst 40 andra genetiska sjukdomar, orsakas av sträckor av repetitivt DNA som hindrar protein från att bildas korrekt.
Upprepningarna kan innehålla hundratals identiska, korta sekvenser av DNA (såsom GAAGAAGAAGAA ...). Vid vissa sjukdomar, inklusive Friedreichs, upprepningarna blir vägspärrar för cellulära maskiner som avkodar genen och börjar tillverka det protein som cellen behöver. Vid andra sjukdomar, såsom det neurologiska tillståndet Huntingtons, upprepningarna kan resultera i överskott av protein, som i sig kan bli giftig.
I forskning som rapporterades denna vecka i tidskriften Vetenskap , Aseem Ansari, en professor i biokemi och genomik vid UW-Madison, och kollegor visade att deras "molekylära protes" kan hjälpa cellulära maskiner att övervinna blockaden som orsakas av upprepningarna i Friedreichs ataxi.
En komponent i protesen lokaliserar upprepningarna, sedan hjälper den andra den cellulära maskinerisoldaten förbi upprepningarna att korrekt avkoda genen.
Friedreichs dyker upp i endast en amerikansk på 50, 000, men det är dödligt och obehandlat, säger Ansari. "Dessa barn ackumulerar upprepningar i en gen för ett protein som kallas frataxin som mitokondrier, cellens kraftpaket, behöver bearbeta energi. Utan frataxin, vävnader som använder mest energi skadas först:hjärnan, hjärta och bukspottkörtel."
Redan vid 5 års ålder, rörelse försämras "eftersom hjärnan inte har den energi den behöver och den ackumulerar också DNA -skador, säger Ansari, som har ett gemensamt möte med Genome Center of Wisconsin vid UW-Madison. "De flesta unga människor med Friedreichs utvecklar allvarliga hjärtproblem och är rullstolsbundna, men sjukdomen är så sällsynt att få läkemedelsföretag investerar i den."
I Ansari-gruppen, Graham Erwin, Matthew Grieshop och Asfa Ali bildade ett team som designade och skapade prototypmolekylen, och orkestrerade också samarbete med kollegor på UW-Madison, läkemedelsföretaget Novartis, och ett ledande medicinskt center i Indien.
De Vetenskap publikationen vilade på två typer av experiment:
Molekylen som testas är utformad för att hjälpa enzymet som läser, eller "transkriberar, "DNA vid de förvirrande upprepningarna. När det väl når andra sidan, enzymet, kallas RNA-polymeras, läser genen och gör RNA som i sin tur kodar för frataxin, proteinet som saknas i Friedreichs ataxi.
En del av den nya molekylen är "en riktningssökare som vi konstruerade för att lokalisera problemet i patientens genom, " säger Ansari. När den väl hittar de besvärliga upprepningarna, "den andra komponenten tar in maskiner som hjälper RNA -polymeras att sloga igenom upprepningarna och göra rätt transkript och därefter det funktionella proteinet."
Att förstå frataxins roll och hur upprepningar blockerar dess syntes började med studier i jästceller och sedan fruktflugor, säger Ansari. "I dessa enkla organismer, forskare retade ut exakt vad den upprepade regionen gjorde, och samma principer var verksamma i mänskliga celler. Utan den förståelsen, vi skulle inte ha kunnat utforma våra molekyler, vilket belyser behovet av att studera biologi på alla nivåer."
Även om biokemin är komplex, konceptet med att ignorera upprepningar är inte, säger Ansari. "Om vi jämför enzymet som läser DNA med en motor som rör sig längs "spåret" av DNA, upprepningen kan stoppa det kallt, få det att hoppa för långt fram, eller sylt det i "på"-läget så att det blir en giftig mängd av proteinet."
De nya resultaten publicerade denna vecka i Vetenskap föreslå att "vi har kommit fram till hur vi slår på den del av genen som ignoreras utan att göra något någon annanstans, " säger Ansari.
Även när patienter och familjer längtar efter ett botemedel, det kommer sannolikt att ta flera år innan drogtester börjar, Ansari varnar.
Ansari, som har försökt reda ut repetitioner i cirka 15 år på UW-Madison, uppnådde första framgång 2004 när hans grupp designade "tvåhövdade" molekyler med ett "DNA-läshuvud" som skulle leverera molekylen till en specifik plats i en individs genom, och ett "dockningshuvud" som skulle docka en cellulär maskin för att tvinga genen att läsas korrekt på den platsen.
Sedan, Ansari säger, forskare fann att molekylen blev "distraherad" medan den flyter i ett hav av DNA och misslyckades med att skilja hundratals "look-alike" platser från dess faktiska mål.
Senast 2013, finansieringen hade tagit slut, och endast ett bidrag från W.M. Keck Foundation gjorde det möjligt för Ansari att fortsätta söka för att överträffa upprepningarna.
Medan många insatser för att behandla Friedreichs screening av miljontals läkemedel, "Vi arbetar utifrån en djupare förståelse av problemet, " säger Ansari. "När vi förstod varför enzymet blockerades, vi designade rationellt sju molekyler för att hjälpa enzymet att passera hindret."
Wisconsin Alumni Research Foundation har ansökt om två patent på upptäckten, som Ansari menar skulle kunna tillämpas bredare. "Med de senaste framstegen inom mänskligt genomsekvensering, mer än 40 sjukdomar har erkänts som ett resultat av mikrosatellitupprepningar, säger Ansari, inklusive ömtåliga X, som orsakar utvecklingssvårigheter, och vissa typer av muskeldystrofi.
"Nu när vi börjar förstå hur vi ska oskadliggöra dessa upprepningar, " han säger, "vi ser detta som en generell lösning, en molekylär ingenjörskonst. Vi skulle sekvensera genomet och ta reda på problemet, och gör en molekyl skräddarsydd för den personen. Det är en ny precisionsanpassad väg till personlig medicin."
