Новое соединение в 17 раз быстрее аналогов расщепляет связанные с болезнями гены

Российские ученые разработали новое соединение — бивалентные ДНКзимы. Это короткие, связанные между собой цепочки ДНК. У соединения есть четыре «руки» и два ядра — с их помощью оно находит нужный участок даже в сложной закрученной РНК целевого гена, а потом связывается с ним и буквально разрезает его. Разработка может стать основой новых препаратов для лечения вирусных, онкологических и наследственных заболеваний на раннем этапе, сообщили в пресс-службе ИТМО.

Онкологические и наследственные заболевания могут появляться из-за мутации конкретных генов. Именно в генах закодирована наследственная информация о том, какие молекулы белка или РНК нужно производить организму для нормального существования. Но если в гене есть мутация, данные о ней тоже будут передаваться. Сначала гены из ДНК человека переходят в форму матричной РНК (мРНК). Она в свою очередь транслируется в полипептидную последовательность (цепочку аминокислот, которые отвечают за свойства и функции белка) и потом сворачивается в полноценный белок.

Один из перспективных способов лечения заболеваний — «выключение» определенных генов, где используются такие лекарства, как антисмысловые олигонуклеотиды, малые интерферирующие РНК и ДНКзимы. Это короткие цепи ДНК или РНК, которые связываются и расщепляют мРНК определенного гена, тем самым «выключая» его. Расщепить мРНК и не дать ей стать белком — один из способов прервать работу гена, ответственного за заболевание. Но у мРНК есть проблемные участки, которые лекарству не всегда удается достичь.

«У мРНК сложная вторичная структура, которая может быть в виде множественных “шпилек” и “стволов”. Из-за такой формы участок, куда может прикрепиться лекарство, бывает недоступен. Мы создали прототип лекарства, которое способно закрепиться в нужной части мРНК, несмотря на ее сложную вторичную структуру, и расщепить в 17 раз быстрее, чем аналогичные предложенные ранее конструкции», — рассказал Михаил Дубовиченко, первый автор исследования, аспирант химико-биологического кластера ИТМО.

Обычно лекарства для «выключения» генов проектируются на основе одного ДНКзима. У него есть две «руки», которые комплементарно связываются с РНК целевого гена, и каталитическое ядро, расщепляющее его РНК. В новой модификации ученые ИТМО использовали два связанных между собой терапевтических ДНКзима с четырьмя «руками». Такое решение позволило охватить и связать большую площадь целевой РНК и увеличить скорость расщепления. При этом если целевая область окажется в труднодоступном месте, прототип лекарства все равно сможет с ней связаться по принципу комплементарности — парному взаимодействию азотистых оснований нуклеиновых кислот лекарства с такими же, как у мРНК целевого гена.

Еще одно преимущество разработки  — терапевтическое соединение можно настроить на расщепление РНК разных генов и таким образом бороться с конкретными онкологическими, вирусными или наследственными заболеваниями, будь то колоректальный рак, вирус Эпштейна-Барра (один из типов вирусов герпеса) или транстиретиновый амилоидоз (заболевание, вызывающее тканевые структурные нарушения и дисфункцию внутренних органов). Для этого ученым нужно знать, какие чужеродные или поврежденные гены участвуют в развитии конкретных заболеваний, и затем разработать к их мРНК соответствующие пары ДНКзимов.

Разработчики планируют химически модифицировать структуру ДНКзимов, увеличить количество ДНКзимов в составе одной терапевтической молекулы, а также научить каждого из них нацеливаться на разные мРНК. Первое изменение позволит использовать препарат в клетках и живых организмах дольше и эффективнее, второе — еще больше расширить площадь захвата мРНК и ускорить ее расщепление, а третье — лечить сложные заболевания (такие как рак на поздних стадиях), подавляя работу двух и более генов одновременно.

«Мы проверили наше соединение в условиях пробирок. Дальше мы планируем исследовать его работу в клеточных культурах. Для этого нам нужно модифицировать ДНКзимы, чтобы защитить их от нуклеаз — ферментов, которые расщепляют чужеродные нуклеиновые кислоты внутри клеток. При этом мы должны подобрать такую химическую модификацию, чтобы не мешать нашему соединению лечить заболевание», — отметил Ахмед Эльдиб, один из авторов исследования, руководитель лаборатории «Нанотехнологии нуклеиновых кислот», аспирант химико-биологического кластера ИТМО.

Результаты исследования, поддержанного программой развития ИТМО Приоритет 2030,  опубликованы в журнале Nucleic Acids Research.