Ученые медицинского факультета UNC создали новую мощную технику «направленной эволюции» для быстрой разработки научных средств и новых методов лечения многих заболеваний.

Ученые, о прорыве которых сообщается в Cell продемонстрировали метод, развивая несколько белков для выполнения точных новых задач, каждый раз делая это в течение нескольких дней. Существующие методы направленной эволюции являются более трудоемкими и трудоемкими и обычно применяются в бактериальных клетках, что ограничивает полезность этой технологии для эволюции белков для использования в клетках человека.

Направленная эволюция – это искусственная, ускоренная версия эволюционного процесса в природе. Идея состоит в том, чтобы сосредоточить эволюционный процесс на одной последовательности ДНК, чтобы он выполнял определенную задачу. В принципе, направленная эволюция может быть использована для создания новых терапевтических средств, которые мощно работают для остановки болезней и имеют мало побочных эффектов или вообще не имеют их. Первоначальная революционная научная работа по направленной эволюции получила Нобелевскую премию по химии в 2018 году.

Мы разработали наиболее надежную систему для направленной эволюции в клетках млекопитающих ».

Ведущий автор исследования Джастин Инглиш, доктор наук, научный сотрудник на кафедре фармакологии Медицинского факультета UNC

«Научному сообществу давно нужен такой инструмент», – сказал старший автор исследования Брайан Л. Рот, доктор медицинских наук, заслуженный профессор Майкла Хукера на кафедре фармакологии Медицинской школы UNC. «Мы считаем, что наша методика ускорит исследования и в конечном итоге приведет к улучшению терапии для людей, страдающих от многих заболеваний, для которых нам нужно гораздо лучшее лечение».

Широкая концепция направленной эволюции не нова. Исследователи применяли его на протяжении веков при отборе и селекции вариантов животных и растений, имеющих желаемые характеристики, таких как сорта сельскохозяйственных культур с более крупными плодами. Биологи в последние десятилетия также использовали направленную эволюцию на молекулярном уровне в лаборатории, например, путем случайной мутации гена, пока не появится вариант, который обладает желаемым свойством. Но в целом методы направленной эволюции для биологических молекул были сложны в использовании и ограничены в их применении.

Новый метод, разработанный Ротом, английским и его коллегами, сравнительно быстр, прост и универсален. Он использует вирус Синдбис в качестве носителя гена, подлежащего модификации. Вирус с его генетическим грузом может инфицировать клетки в культуральной чашке и мутировать довольно быстро. Исследователи создали условия для того, чтобы процветали только мутантные гены – те, которые кодируют белки, способные выполнять в клетках желаемую функцию, такую ​​как активация определенного рецептора или включение определенных генов. Поскольку система работает в клетках млекопитающих, она может быть использована для выработки новых белков человека, мыши или других млекопитающих, которые было бы обременительным или невозможным генерировать с помощью традиционных методов на основе бактериальных клеток.

Английский и его коллеги называют новую систему «VEGAS» для вирусной эволюции генетически активируемых последовательностей. В начальной демонстрации лаборатория Рота модифицировала белок, называемый трансактиватором тетрациклина (tTA), который работает как переключатель для активации генов и является стандартным инструментом, используемым в биологических экспериментах. Обычно tTA перестает работать, если встречается с антибиотиком тетрациклином или близкородственным доксициклином, но исследователи разработали новую версию с 22 мутациями, которая позволяет tTA продолжать работать, несмотря на очень высокие уровни доксициклина. Процесс занял всего семь дней.

«Чтобы понять, насколько это эффективно, учтите, что ранее сообщалось, что метод направленной эволюции млекопитающих, применяемый к трансактиватору тетрациклина, потребовал четыре месяца, чтобы получить только две мутации, которые придают лишь частичную нечувствительность к доксициклину», – сказал Инглиш.

Затем ученые применили VEGAS к общему типу клеточных рецепторов, называемых G-белок-связанными рецепторами (GPCR). На клетках человека находятся сотни различных GPCR, и многие из них предназначены современными лекарственными средствами для лечения широкого спектра заболеваний. Как именно данный GPCR меняет форму, когда он переключается с неактивного состояния на активный, представляет большой интерес для исследователей, пытающихся разработать более точные способы обработки. Инглиш и его коллеги использовали VEGAS, чтобы быстро мутировать малоизученный GPCR, называемый MRGPRX2, чтобы он оставался в постоянно активном состоянии.

«Идентификация мутаций, которые произошли во время этой быстрой эволюции, помогает нам впервые понять ключевые области в рецепторном белке, участвующие в переходе в активное состояние», – сказал Инглиш.

В заключительной демонстрации команда продемонстрировала потенциал VEGAS для более непосредственного руководства разработкой лекарств. Они использовали VEGAS для быстрого развития малых биологических молекул, называемых нанотелами, которые могли активировать различные GPCR, в том числе рецепторы серотонина и дофамина, которые обнаруживаются в клетках мозга и являются мишенью для многих психиатрических препаратов.

В настоящее время команда использует VEGAS для разработки высокоэффективных инструментов редактирования генов, потенциально для лечения генетических заболеваний, и для создания нанотел, которые могут нейтрализовать гены, вызывающие рак.