En ny strategi för behandling av en mängd olika sjukdomar som kallas RNA-upprepade expansionsstörningar, som påverkar miljontals människor, har visat lovande i proof-of-principe-test utförda av forskare vid Scripps Research.

Resultaten tyder på att en dag, en handfull välriktade läkemedel kanske kan behandla de mer än 40 mänskliga sjukdomarna – inklusive Huntingtons sjukdom och varianter av amyotrofisk lateralskleros (ALS) – som uppstår från RNA-upprepade expansioner.

"Denna studie lägger en grund för utvecklingen av läkemedel som kan hantera flera sjukdomar med upprepad expansion genom att rikta in delade onormala strukturer på deras RNA, "säger studiens huvudutredare Matthew Disney, Ph.D., professor i kemi vid Scripps Research.

Vid RNA-upprepad expansionssjukdomar, mutantgener innehåller överskott av DNA i form av dussintals eller till och med hundratals upprepade korta strängar av DNA-"bokstäver". I celler där dessa muterade gener är aktiva, att DNA kopieras ut till RNA-molekyler på väg att översättas till proteiner. De resulterande onormala RNA kan orsaka problem på en mängd olika sätt, såsom genom att fälla ihop sig till strukturer som är giftiga för celler.

I studien, publiceras i Cellkemisk biologi , forskarna visade att en potentiell läkemedelsmolekyl som de utvecklade kan neutralisera det giftiga RNA som orsakar två distinkta upprepade expansionsstörningar, myotonisk dystrofi 1 (DM1) och Fuchs endotelial hornhinnedystrofi (FECD). I det senare fallet, det kan göra det genom en oväntad men kraftfull mekanism.

Genetiska sjukdomar i stort behov av behandling

DM1 beräknas påverka cirka 140, 000 personer i USA. Det kan manifestera sig från barndomen till vuxenlivet. Och även om det inte alltid förkortar livslängden, det ger ofta en försvagande uppsättning symtom inklusive muskelsvaghet och smärta, grå starr, och andnings- och gastrointestinala problem. Sjukdomen orsakas av en mutant kopia av en gen som kallas DMPK, vars RNA innehåller dussintals till hundratals upprepningar av RNA-bokstäverna "CUG".

FECD, som orsakar progressiv skada på ögats hornhinna som ofta kräver hornhinnetransplantation, har en relativt hög prevalens; studier tyder på att det manifesteras hos minst flera procent av kaukasiska människor äldre än 50. Störningen orsakas av en mutant version av en gen som kallas TCF4, vars RNA också innehåller onormalt långa CUG-repetitioner.

Dessa störningar uppstår från olika muterade gener, och följaktligen förekommer i olika celltyper, men involverar praktiskt taget samma giftmekanism:I varje fall, inkluderandet av en onormalt lång sekvens av CUG-repetitioner gör att RNA:t som kopieras från genen bildar strukturer som är "klibbiga" till vissa andra proteiner i cellen, och effektivt fånga dem – förhindra dem från att göra sitt jobb i cellen. Utarmningen av ett av dessa fångade proteiner, MBNL1, är en särskilt viktig orsak till cellskador och symtom vid DM1 och FECD.

Uppmuntrande resultat i prekliniska tester

För den nya studien, Disney och hans team använde avancerade beräkningsmetoder för att designa en liten organisk molekyl som selektivt binder till de onormala CUG-expansions-RNA som finns i MD1- och FECD-drabbade celler, förhindrar dessa RNA från att fånga MBNL1.

För att utvärdera och förbättra molekylen, teamet använde ett unikt verktyg som de hade utvecklat tidigare, Konkurrenskraftig Chem-CLIP, vilket gjorde det möjligt för dem att testa deras molekyls förmåga att selektivt känna igen giftiga CUG-expansionstrukturer.

Teamet visade att i odlade celler härrörande från patienter med DM1, såväl som i en djurmodell av sjukdomen, deras förbättrade designermolekyl minskade framgångsrikt utarmningen av MBNL1 och förlusten av dess funktion.

I FECD-celler, läkemedelsmolekylen arbetade också för att förhindra tecken på sjukdom, men den här gången genom en annan och potentiellt mer kraftfull mekanism. I FECD-celler, den sjukdomsframkallande genmutationen sker i en icke-kodande del av genen som kallas intron. I vanliga fall, introner när de kopieras till RNA skärs ut ur RNA nästan omedelbart och bryts ned av avfallssystem i cellen. I FECD, närvaron av CUG-upprepad expansion förhindrar det påverkade intronet från att excideras. Dock, Disney och hans team fann att deras molekyl tillåter att utskärningen äger rum, så att det onormala RNA-elementet inte bara blockeras utan förstörs.

Att rikta in sig på giftiga RNA med små organiska molekyler som kan sättas i piller har i allmänhet varit mycket utmanande, än så länge, Disney anteckningar, men fyndet i denna studie pekar på den lovande möjligheten att använda sådana molekyler inte bara för att blockera dåliga RNA utan att utlösa deras förstörelse.

"Om ett läkemedel gör att ett giftigt RNA förstörs istället för att bara blockera det, då bör effekten vara längre, " han säger.

Efter att ha utfört sin proof-of-princip demonstration, han och hans team, som inkluderar ett nystartat bioteknikföretag, Expansion Therapeutics, fortsätter att utveckla molekylen som testats i studien som en potentiell läkemedelsbehandling för DM1 och FECD.

Forskarna tar också ett liknande tillvägagångssätt för att utveckla potentiella läkemedelsbehandlingar för RNA-repetitionsexpansionssjukdomar som involverar CAG-repetitioner, som inkluderar den progressiva och dödliga neurologiska sjukdomen som kallas Huntingtons sjukdom.

Disney noterar att hans grupps beräkningsmetod för upptäckt av läkemedel, kontra traditionella metoder som involverar screening av stora uppsättningar, eller bibliotek, av molekyler, ger dem en stor fördel:"Vår förmåga att göra beräkningsstödd design tillåter oss att snabbt få initiala sammansättningar, och testa dem snabbt, " säger Disney.