Tag Archives: днк

Научни новини: Трансплантация на митохондрии, генетични редакции и издайническо ДНК

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://www.toest.bg/nauchni-novini-transplantatsiya-na-mitohondrii/

Трансплантация на митохондрии

Научни новини: Трансплантация на митохондрии, генетични редакции и издайническо ДНК

Митохондриите са органели, отговорни за енергийните нужди на клетките, и се намират във всички човешки клетки, освен в червените кръвни телца. Поради произхода си (ендосимбионтни бактерии) те са запазили част от своя генетичен материал и имат хромозома, която при хората носи 37 гена, 13 от които вземат участие в енергийния метаболизъм. Бактериалният произход и някои други техни особености са причина геномът им да има значително по-високи нива на мутации в сравнение с ядрената ДНК. Това има два основни ефекта: понякога тези мутации водят до повреди в гените, а също и до получаване на хетерогенна популация в различните тъкани и клетки.

Децата получават митохондриите си почти ексклузивно от майките (има няколко описани случая на преобладаващи бащини митохондрии, но за момента се смята, че те са рядкост). Поради случайното разпределение на митохондриите създаването на потомство от майки с установени мутации поражда риск, тъй като има вероятност в яйцеклетките им да попаднат увредени митохондрии и децата да развият заболявания с митохондриална етиология. Обикновено те са свързани с органи с висока потребност от енергия, като мозък, сърце, мускулатура.

Потенциално решение за преодоляване на този проблем е т.нар. трансплантация на митохондрии. В момента има два основни подхода за извършване на процедурата. При първия се използват неоплодени яйцеклетки от здрав донор и майката. Ядрото от донорската клетка се премахва и в нея се прехвърля ядрото от майчината, където е останала цитоплазмата с митохондриите. След това се извършва оплождането със сперматозоиди от бащата. При втория подход и двете изходни яйцеклетки първо се оплождат, след което отново ядрото от едната зигота се прехвърля в другата. Въпреки че в крайна сметка децата наистина носят генетичен материал от трима „родители“, приносът на донора е около 1%, така че той не би следвало да има правни задължения (или права) към тях.

Методът все още има сравнително ограничено приложение, защото законовият му статус е неуточнен в повечето страни. Едно от първите съобщения е от американски лекар, който е извършил процедурата в Мексико. Известни са и екипи, които работят в Гърция и Украйна, но може би най-добре уредена е ситуацията в Обединеното кралство, където процедурата е одобрена през 2015 г., като всеки случай се разглежда от регулаторния орган Human Fertilisation and Embryology Authority (HFEA). След искане за достъп до информация журналисти от Guardian са получили отговор, че към края на април 2023 г. са родени по-малко от пет бебета с донорски митохондрии. Точният брой не е посочен, защото според организацията това би дало възможност децата да бъдат идентифицирани.

Въпреки че като цяло резултатите са обещаващи, не всички учени са съгласни с прилагането на терапията в този ѝ вид. И при двата метода не е възможно да се изключат напълно митохондриите от майката. Обикновено те са под 2% от всички налични в зиготата, което е малък процент, но все пак крие рискове. Вече има съобщения за бебета, при които е настъпила т.нар. реверсия – митохондриите на майката се намножават и достигат нива, носещи риск за активиране на заболяването.

В публикуваните данни се посочва, че в началните стадии, непосредствено след трансплантацията, пренесените майчини митохондрии са били под 0,8%, от общото съдържание, но при раждането те вече са били между 30 и 60%. И при двата известни случая трансплантацията на митохондрии е използвана за преодоляване на репродуктивни проблеми, така че повишението не представлява опасност за здравето на децата, но тези случаи са индикация, че преди масовото прилагане на терапията има технически недостатъци, които трябва да се преодолеят.

Новите подходи, особено в медицината, крият своите рискове, но дават и възможност за справяне с проблеми, които само допреди години са се считали за непреодолими. Темпът на развитие на технологиите предполага, че в недалечно бъдеще методът ще бъде прецизиран и ще може да се прилага рутинно без тревога за потенциални реверсии.

В тази връзка е интересно скорошното развитие в създаването на яйцеклетки от мъжки клетки при мишки. Първо кожни клетки са третирани по специфичен начин, за да се индуцира превръщането им в структури, сходни на стволови клетки. След това Y хромозомата в тях е премахната и е вмъкната още една X хромозома от друга клетка. Получените XX стволови клетки са имплантирани в органоид със структура на миши яйчник, след което развитите яйцеклетки са оплодени и имплантирани в сурогатни майки. Родените мишки са били жизнени и с нормална продължителност на живота, като някои дори са оставили потомство. За момента процедурата е сложна и с ниска успеваемост, но учените се надяват в рамките на няколко години да я усъвършенстват и да я приложат при хора, които имат репродуктивни проблеми.

С напредването на науката най-вероятно ще има възможност и за създаване на яйцеклетки от соматични клетки на майката, след като се проведе скрининг и се подберат само клетки, в които всички митохондрии са здрави. Така ще отпадне необходимостта от използване на донори и целият генетичен материал на децата ще бъде принос само на двамата им преки родители или на единия от тях.

Генетични редакции в селското стопанство

Листата на сарепската горчица имат кулинарно приложение, но поради горчивия си вкус, сходен с този на другите ѝ зелеви роднини, обикновено минават през термична обработка преди консумация, за да се намали силата му. Това е пречка пред използването им в суров вид въпреки по-високата хранителна стойност в сравнение с другите листни зеленчуци, от които обичайно се правят салати.

Биотехнологичната компания Pairwise предлага решение за този проблем с първия CRISPR редактиран хранителен продукт в САЩ. С помощта на технологията те са ограничили активността на ензима мирозиназа, който е свързан със защитната система на зелевите растения. Когато са изложени на опасност (например от насекоми), този ензим освобождава съединения, съдържащи сяра в структурата си (тиоли). Те бързо образуват нови молекули с циано- или нитрилна група, които са силно токсични за неприятелите. Именно тиолите (и сярата в тях) са причина за горчивия вкус и острия мирис на сарепската горчица. Понякога те са проблем и за тревопасните животни, поради което рапицата от същото семейство се използва за фураж с повишено внимание.

Компанията е получила разрешение от USDA през 2020 г., като сега смята да предлага салатен микс, в който има листа от сарепска горчица, на подбрани ресторанти и някои магазини. Освен по-високата хранителна стойност, друго предимство на тази култура пред останалите листни зеленчуци е и по-високият добив.

Това не е първият генетично редактиран продукт на пазара в глобален мащаб. През 2021 г. в Япония започна продажбата на домати със завишено съдържание на гама-аминомаслена киселина (GABA), която инхибира предаването на импулси между нервните клетки. Според компанията, създала тези домати, приемът ѝ помага за понижаване на кръвното налягане и намаляване на стреса.

За интересно приложение на CRISPR технологията съобщава и друг американски екип, съставен от учени от USDA, университетски изследователи и частни компании. Те успешно са създали говедо, което има повишена толерантност към вируса, причиняващ вирусна диария (мукозна болест). Това е заболяване, за което има множество ваксини, но въпреки това те невинаги успяват да го предотвратят, а предаването е много лесно, особено във ферми с по-голяма плътност на отглеждане. Болестта е особено опасна за бременните крави, защото намалява процента успешни раждания, а родените телета са носители на причинителя и в тях се наблюдава много висок вирусен товар.

За да проникне успешно в клетките на животните, вирусът се прикачва към един от протеините на тяхната мембрана (CD46). Използвайки тази информация, известна ни от почти 20 години, екипът е направил промяна в шест аминокиселини (от общо 361) на този протеин с помощта на Crispr-Cas9. Първо моделът е изпитан в клетъчни култури, а след потвърждаването му е било създадено генетично редактирано женско теле, наречено Ginger.

Редакцията не е променила съществено функционалността на протеина, така че той успешно продължава да работи нормално в клетките на животните, но вирусът вече не може да го използва за проникване в тях. След като е станала на десет месеца, Ginger е изложена на вируса чрез поставяне в съжителство с теле, което е негов носител и го отделя активно. Въпреки че той е открит в кръвта ѝ, вирусният товар е бил значително по-нисък и тя не е проявила симптомите, характерни за заболяването.

Тази разработка показва нов хоризонт пред генните редакции под формата на своеобразни перманентни ваксини, които могат да бъдат вмъкнати при създаването на нови породи. Възможността за прецизни редакции е изключително полезен инструмент, тъй като дори малка разлика в един ген може да доведе до големи промени в организма. Това е видно и от работата на учени от Женевския университет.

Биохимичните процеси в организмите протичат като последователност от химични реакции, наречена сигнален път (или биохимична каскада). В повечето случаи тези реакции са контролирани от активацията или спирането на действието на различни гени. В най-простия вариант са линейни и се активират от един ген вследствие на някакъв стимул, като всяка стъпка започва след края на предходната, но има и случаи, в които са разклонени, с много стъпки, които се влияят една от друга и са с различни активиращи гени.

Един от особено важните гени, контролиращи такива сигнални пътища, е Shh (Sonic hedgehog, Таралежът Соник), който взема участие в морфогенезата на централната нервна система, дробовете, крайниците, зъбите – симетрични части на тялото. Той е отговорен и за правилното развитие на различни образувания по кожата – косми, пера и люспи. Тези структури са хомолози и се предполага, че произхождат от общ предшественик на гръбначните животни.

Установено е, че при активиране на Shh по време на развитието на ембриона люспите, които обичайно покриват краката на кокошките, се трансформират в пера. Те имат идентична структура като тези по другите части и с възрастта преминават от пух към същински пера. Интересното е, че в случая дори не е имало генетична манипулация в класическия ѝ смисъл. Активацията на гена е постигната чрез инжектиране на малка молекула (SAG) в 11-тия ден от развитието на ембриона, която активира сигналния път на Shh, без да се правят намеси в генома на животните.

Според учените самата трансформация дава повече информация за процесите на образуване на различните структури. Но по-интересното е, че тя е следствие от временна промяна в експресията на гена, което може да има голямо значение за земеделската продукция, където генните манипулации подлежат на строг контрол и ако могат да бъдат избегнати, пускането на нови продукти на пазара ще бъде значително по-лесно.

Издайническа ДНК

ДНК е навсякъде – всички организми я отделят в околната среда с биологичните си дейности. Благодарение на това се развива и цяла нова научна област, в която се работи със сборни проби от най-различни източници, като водоеми, въздух, почва и др. Събраната ДНК от околната среда (eDNA, environmental DNA) може да бъде секвенирана и след това с помощта на биоинформатични методи (компютърен анализ на данните) да се правят най-различни проучвания за обитателите на даден ареал – видов състав, здравен статус. Два актуални примера са откриването на нови вируси, за което разказахме наскоро, и употребата на сходен подход за проследяване и прогноза на потенциални огнища на COVID-19 чрез проби от пречиствателни станции.

В това отношение човекът не се различава от останалите организми. Ние отделяме ежедневно своята ДНК чрез аерозоли (говор, кашляне, кихане), частици кожа, при отделителните процеси. Доскоро това не беше от ключово значение, защото при повечето изследвания се използва количествен PCR (qPCR, quantitative PCR), при който е необходима информация за търсения организъм. Но с напредването на технологиите за изолация и секвениране на ДНК и последващата обработка на получените данни за учените става достъпна информация за целия генетичен материал в събраната проба.

Ново изследване описва потенциалните проблеми и възможности, които произтичат от това. Основният обект на учените са костенурки, размножаващи се по плажовете на Флорида. Изолирайки ДНК от следите, които оставят в пясъка, те могат да проследяват популациите им и да наблюдават появата на заболявания, причинени от вируси. След като откриват човешки генетични последователности в един такъв набор, изследователите решават да се фокусират върху това и освен от плажен пясък събират и водни проби от океана и река във Флорида.

Откриването на човешка ДНК в тях не е особена изненада, но качеството ѝ е било значително по-високо от очакваното. Успешно са открити митохондриални мутации, свързани с аутизъм, диабет, очни и сърдечни заболявания. Наред с това е направен и популационно-генетичен анализ, при който е установено, че данните отговарят на демографското разпределение в района. Експериментът е повторен и с вода от река в Ирландия със сходни резултати.

Може би най-впечатляващо е отчитането на човешка ДНК в проби от въздух, взет от стаите на ветеринарна клиника. Отново са засечени мутации, свързани със заболявания, а също така успешно е определено потеклото на работещите в клиниката. Открити са и папиломен вирус, причиняващ туморни заболявания по костенурки (пациентите на клиниката), както и тяхната ДНК.

Това повдига редица етични въпроси, свързани с неприкосновеността и даването на съгласие за обработка на генетични данни, възможността за проследяване и дискриминацията на цели групи на база белези, които вече могат да бъдат открити, без да се вземат проби непосредствено от хората. Предвид практиката данните от секвениране при всички изследвания, финансирани от държавата, да се качват в публично достъпни бази данни, това би могло да даде достъп до подобна информация на компании и други организации, без реално те да извършват работата по обработка на биологичните проби.

Но това не означава, че подходът не може да се използва и за добро. Потенциални приложения са следенето на популационната динамика, както и на появата на зловредни мутации, нови заболявания или техни щамове и варианти. Друга авангардна идея, предложена от авторите, е търсенето на загубени хора чрез събиране на проби от въздуха с помощта на дрон. Въпреки че има потенциално приложение и в криминалистиката, според професорката по право Натали Рам, специализираща в сигурността на генетичните данни, технологията крие риск да ни постави под постоянно наблюдение и заключения да се правят въз основа на случайно попаднал генетичен материал.

Както при всяко ново откритие, предстои период на изясняване на пълните му възможности и поставяне на законови и етични рамки, които да насочат употребата му така, че да бъде полезно за обществото и да носи основно позитиви.

Да прочетеш непрочетимото – как разчетоха човешкия геном

Post Syndicated from original https://www.toest.bg/da-prochetesh-neprochetimoto-kak-razchetoha-choveshkiya-genom/

Двойната спирала

Да прочетеш непрочетимото – как разчетоха човешкия геном

Всички са чували за ДНК, или двойната спирала. Но какво всъщност се крие в тази структура, наподобяваща спираловидното стълбище към кабинета на професор Дъмбълдор в магическото училище „Хогуортс“? ДНК съдържа пълните инструкции за развитието на една клетка, тъкан, орган. Звучи почти като фантастика, но дезоксирибонуклеиновата киселина има 521 години полуживот, което означава, че половината ДНК от една проба деградира за тези 521 години.

ДНК в една клетка в „разплетено“ състояние (подобно на развито кълбо прежда) е дълга два метра. За да се събере цялата тази информация, тя е в компактно състояние, наречено хромозома. Хромозомата е „кълбо от прежда“, което се развива само при нужда, тоест тя променя компактното си състояние само ако даден ген е активен и е на път да се превърне в РНК и оттам в белтък.

В центъра на всички човешки клетки (ядрото) има 46 броя хромозоми (две двойки по 23 – диплоиден набор). Понятието „геном“ включва всъщност точно тези 23 хромозоми (хаплоиден набор). Единствените клетки с 23 хромозоми са половите (яйцеклетки и сперматозоиди), тъй като след сливането им се осигурява диплоидният набор и генетичното разнообразие.

Проектът за човешкия геном

Преди 70 години учените са установили структурата на ДНК. Тя е изградена от нуклеотиди, които са съставени от азотни бази, захар, наречена дезоксирибоза, и фосфатна група. Макар през 1963 г. Джеймс Уотсън, Франсис Крик и Морис Уилкинс да печелят Нобелова награда за откритието си, няма как да не се отбележи, че редица други учени са участвали в процеса и имат не по-малки заслуги: органичният химик Александър Тод, биохимикът Ървин Чаргаф, биофизикът Розалинд Франклин и физикохимикът Лайнъс Полинг.

Проектът за човешкия геном (1990–2003) е смятан за най-важното биомедицинско проучване на ХХ век. Освен самите научни постижения, той е от изключителна значимост, защото дава начало на идеята за публично споделяне на научните данни и разглежда въпроса за етиката при биомедицинските изследвания. Друга отличителна черта на проекта е, че учените изследват неизвестното в биологичния свят, а не както по принцип се провежда една научна разработка – с изказване на научна хипотеза/теория и последващото ѝ приемане или отхвърляне.

Проектът е интернационален и целта му е била да се секвенира (разчете) целият човешки геном, както и геномът на няколко други организъма (бактерията Escherichia coli, дрождите, винената мушица и мишките). Целите на проекта и начертаният план са се променяли в хода им и е интересно да се отбележи, че той е приключил цели две години по-рано от планираното, надминавайки очакванията и представите на учените, които са обмисляли идеята още през 1988 г.

Какво представлява разчитането на един геном?

Геномът е изграден от определени последователности (секвенции), подобно на книга, състояща се от изречения, изградени от думи, а думите – от букви. Секвенирането на ДНК представлява определянето на подредбата на азотните бази, които я изграждат. Това са аденин (А), цитозин (Ц), гуанин (Г) и тимин (Т). Голяма част от усилията на участниците в Проекта за човешкия геном са насочени именно към развитието на технологиите, разчитащи генома (т.нар. секвенатори).

Разчетеният човешки геном не е само на един човек. В проекта са участвали анонимни доброволци, подписали информирано съгласие за използване на техния генетичен материал (кръвна проба) за научни изследвания.

Проектът е публично финансиран, като първоначалните средства за обезпечаването му са възлизали на 3 млрд. долара за планирания 15-годишен период. Изразходваната сума трудно може да се изчисли с точност, тъй като участниците са от 20 университета от САЩ, Великобритания, Франция, Германия, Япония и Китай, но се смята, че е близка до първоначално заложената. Въпреки огромната сума, постигнатите резултати със сигурност си заслужават отделените средства, време и труд. Икономическите ползи от развитието на геномиката, като например напредъкът във фармацевтичната и биотехнологичната индустрия, са за поколения напред.

Един от най-интересните аспекти на проекта са т.нар. Бермудски принципи. След две срещи на учените от проекта в Бермуда е взето решение всеки разчетен участък от генома да бъде почти веднага публично достъпен. Това решение за прозрачност и информираност при споделянето на данни от биомедицински изследвания е безценно.

Въпреки многогодишната работа и неоспоримите ползи от Проекта за човешкия геном, всъщност нашият геном не е разчетен напълно при приключването на първоначалната работа през 2003 г. Геномът ни носи информация за производството на РНК и белтъци в участъци, известни като екзони, но той е изграден и от интрони. Доскоро се смяташе, че интроните не кодират никаква информация и са излишни и непотребни (т.нар. junk DNA). ДНК съдържа и по-комплексни и често повтарящи се участъци, които затрудняват разчитането ѝ.

През 2000 г. Консорциумът за секвениране на човешкия геном съобщава, че геномът ни е 90% разчетен, но с цели 150 000 неизвестни области от ДНК, познати като „празнини“. През 2003 г. Консорциумът съобщава за подобрения в разчитането на генома и почти пълното му завършване – 92%, с 400 останали празнини.

През 2013 и 2019 г. Консорциумът за референтен геном добавя поправки и подобрения към публично наличната информация за разчетения геном.

Разшифроване на последните 8 процента от човешкия геном

На 31 март 2022 г. консорциумът „От теломер до теломер“ съобщава, че е запълнил останалите празнини и напълно завършеният човешки геном вече е факт. Полученият пълен геном (означаван като T2T-CHM13) вдига 20-годишната бариера, която ни е делила от оставащите 8%. Те включват всички центромерни райони на хромозомите (структура, която играе основна роля при разделянето на ДНК по време на деленето на клетката) и целите къси рамена на 5 хромозоми (13-та, 14-та, 15-та, 21-ва и 22-ра).

Късите рамена на тези хромозоми се състоят от хиляди повторения и гените носят информация за производството на т.нар. рибозоми. Рибозомите са структури от изключително важно значение, тъй като те изграждат всички белтъци, необходими за функционирането на една клетка. Високото ниво на генетични вариации в центромерите е златна мина, която тепърва ще се копае, за да се установи функционалното им значение.

Учените съобщават, че са добавили около 200 млн. ДНК бази. Всичко това не би било възможно без разработването и внедряването на най-новите секвенатори на Oxford Nanopore и Pacific Biosciences. Секвенаторите са машини, които четат азотните бази от ДНК (А, Г, Ц и Т), и след това софтуер ги подрежда. ДНК се изолира от генетичния материал (например кръв), след това се подготвя т.нар. ДНК библиотека. Секвенаторът не може да чете цялата ДНК, защото е прекалено дълга. Затова тя се накъсва (фрагментира), маркират се краищата на всеки фрагмент и след като секвенаторът ги прочете, софтуерът ги подрежда. Новата технология за секвениране позволява разчитането на по-дълги участъци с точност над 99%.

Следващата стъпка

Наличното пълно разчитане на човешкия геном е предпоставка за установяването на още гени, предразполагащи към определени заболявания. Общият поглед над целия геном без празнини или „скрита“ ДНК ще даде възможност на учените да изяснят множество въпросителни относно човешкото здраве и еволюция.

Въпреки че CHM13 представлява пълният геном, той не обхваща целия спектър от генетичните вариации при човека. Поради тази причина консорциумът „От теломер до теломер“ вече е обединил силите си с Консорциума на човешкия референтен пангеном с цел събирането на висококачествени референтни геноми от разнообразни проби.

Персонализираната медицина днес и в близкото бъдеще

Анализът на огромната информация от индивидуалните различия на гените позволява създаването на персонализираната (прецизна) медицина. Морето от информация, известно като Big Data, се анализира с алгоритми, основаващи се на машинно обучение. Приложението им в персонализираната медицина ще помогне за разработването на нови лекарства за терапия на генетични заболявания.

Напредъкът в машинното обучение, като изкуствения интелект и дълбокото обучение, са част от кутията с инструменти, подготвяна за предстоящите изследвания на геномната информация. Прогресът в тези области е неотменна част от иновациите, които тепърва предстоят в областта на персонализираната медицина.

Заглавно изображение: Кариограма на човек (хромозомите, подредени по размер, вид и брой). Източник: Wikimedia Commons