Artificial intelligence

Sự trỗi dậy của các phương pháp trị liệu RNA

Hầu hết trẻ sơ sinh Mỹ sẽ từ bệnh viện về nhà và bắt đầu đạt được các mốc phát triển của chúng, khiến cha mẹ vui mừng. Họ sẽ ngẩng cao đầu trong khoảng ba tháng. Họ sẽ ngồi dậy trước sáu giờ. Và họ sẽ đi dạo quanh sinh nhật đầu tiên của họ. Nhưng khoảng 1 trong 10.000 sẽ không. Chúng sẽ cảm thấy mềm nhũn trong vòng tay của người chăm sóc, không ngẩng đầu lên và không bao giờ học cách tự ngồi. Khi cha mẹ hoảng hốt tìm kiếm sự trợ giúp y tế, trẻ sẽ được chẩn đoán mắc chứng teo cơ tủy sống, hay còn gọi là SMA, một bệnh thần kinh cơ, trong đó một số tế bào thần kinh vận động của tủy sống ngày càng xấu đi. Căn bệnh này được kích hoạt bởi một sự cố di truyền liên kết với gen có tên là SMN2 (tế bào thần kinh vận động sống sót 2), khiến các bit của protein quan trọng tập hợp không chính xác, dẫn đến yếu cơ và tê liệt tiến triển. Cho đến năm năm trước, chẩn đoán này không còn xa là một bản án tử hình. SMA được coi là nguyên nhân di truyền phổ biến nhất gây tử vong ở trẻ sơ sinh. Nhiều trẻ sơ sinh mắc bệnh SMA đã không sống để đón sinh nhật thứ hai của mình. Một số đã sống qua thời kỳ chập chững biết đi của mình, nhưng không bao giờ đủ khỏe để chạy xung quanh hoặc chơi với những đứa trẻ khác và cuối cùng không chống chọi được với căn bệnh này. Nhưng vào năm 2016, tiên lượng tồi tệ đó đã thay đổi lần đầu tiên trong lịch sử – nhờ một phương pháp điều trị mới được FDA chấp thuận, phát triển bởi Adrian Krainer, một nhà hóa sinh tại Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor, phối hợp với Ionis Pharmaceuticals và Biogen. Các nhà nghiên cứu nghĩ rằng RNA có tiềm năng điều trị rất lớn chưa được khai thác. Được gọi là Spinraza, loại thuốc đã khắc phục sự cố theo một cách độc đáo. Được quản lý thông qua một vòi tủy sống, Spinraza hoạt động ngay khi mã di truyền bị cắt xén của SMN2 được phiên mã thành các hướng dẫn tạo protein bị lỗi — và sửa các hướng dẫn đó ở cấp độ phân tử. Sử dụng thuật ngữ khoa học hơn, Spinraza can thiệp ngay sau khi DNA được phiên mã thành RNA, một phân tử ngựa đực chịu trách nhiệm cho nhiều quá trình tế bào, trong trường hợp này hoạt động như một sứ giả mang các chỉ dẫn của DNA. “Spinraza được thiết kế để liên kết với RNA thông tin, cho phép tế bào xử lý đúng cách và cuối cùng khắc phục vấn đề,” Krainer, người đã giành được giải thưởng Wolf danh giá về y học năm nay, giải thích cho công trình giải thích các cơ chế phân tử đằng sau điều này. Quá trình RNA, dẫn đến liệu pháp mới này. Năm ngoái, RNA thông tin, hay mRNA, đã xuất hiện trên các trang nhất của mọi tờ báo khi Pfizer và Moderna sử dụng phân tử này để tạo ra vắc-xin COVID-19. Với phương pháp mới này, chưa từng được sử dụng trước đây để tiêm chủng cho người ngoài các thử nghiệm lâm sàng, các nhà sản xuất thuốc sử dụng mRNA để cung cấp các chỉ dẫn cụ thể cho các tế bào của chúng ta. Các hướng dẫn cho các tế bào tạo ra protein đột biến mà coronavirus sử dụng để lây nhiễm cho chúng ta. Một khi được tạo ra bên trong cơ thể, protein đột biến sẽ thu hút hệ thống miễn dịch, hệ thống này nhớ nó như một kẻ xâm lược nước ngoài và được chuẩn bị sẵn sàng để chống lại coronavirus thực sự. Sau một thời gian, các tế bào cũng phá hủy và loại bỏ bất kỳ dấu vết nào của mRNA của vắc-xin. Công nghệ mRNA có vẻ mới lạ, nhưng nó đã được phát triển, mặc dù ngoài ánh đèn sân khấu, trong nhiều năm. splice and dice: Spliceosome tại nơi làm việc. RNA đang tiến hành là một chuỗi mỏng màu cam trông giống như chuỗi xoắn DNA đã cắt. Ruy băng xoăn và mũi tên dẹt — tím, lục, lam, xám và nâu — là những protein khác nhau tham gia vào quá trình nối. , một chất mang chỉ thị di truyền thụ động, chỉ là trung gian giữa DNA và protein. Lynne Maquat, người đứng đầu Trung tâm Sinh học RNA tại Đại học Rochester và là người đã chia sẻ Giải thưởng Wolf với Krainer cho biết: “Khi nói đến RNA, ngay cả các nhà khoa học cũng không rõ điều gì là quan trọng về nó. “Mọi người nghĩ rằng chỉ có ba loại RNA, chúng tôi đã biết chúng làm gì, kết thúc câu chuyện.” Nhưng quan điểm đó đã thay đổi. Các nhà khoa học không chỉ phát hiện ra nhiều loại RNA khác nhau mà còn nhận ra rằng một phần lớn DNA của chúng ta được dành để tạo ra chúng. Joan Steitz, giáo sư lý sinh phân tử và hóa sinh tại Đại học Yale, đồng thời là người đồng nhận Giải thưởng Wolf, người đã nghiên cứu RNA từ những năm 1960, cho biết: “Giờ chúng tôi biết rằng tốt nhất chỉ có 3% bộ gen của chúng tôi mã hóa protein. . “Và 97% còn lại được dành để tạo ra tất cả các loại RNA khác nhau này. Chúng tôi biết những gì phong phú và quan trọng nhất trong số chúng làm, nhưng có hàng ngàn cái khác nhau mà chúng tôi vẫn chưa hiểu đầy đủ về nó. ” Việc xây dựng hiểu biết này nắm giữ chìa khóa để điều trị nhiều rối loạn di truyền, có thể bắt nguồn từ DNA bị lỗi, nhưng có thể được sửa chữa bằng cách hàn gắn RNA hoặc các quá trình mà RNA này có liên quan. Các nhà nghiên cứu nghĩ rằng RNA có tiềm năng điều trị rất lớn chưa được khai thác. Theo truyền thống, khi phát triển các loại thuốc mới, các công ty dược phẩm nhắm vào các protein bị trục trặc gây ra bệnh. Justin Kinney, một nhà sinh học định lượng tại Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor, người cộng tác với Krainer, cho biết vấn đề được khắc phục sớm hơn một bước, trước khi các protein được tạo ra. Kinney nói: “RNA là một mục tiêu tuyệt vời để phát triển thuốc, bởi vì nó rất linh hoạt. Mục tiêu của ông là xây dựng lộ trình cho một thế hệ phương pháp trị liệu dựa trên RNA mới. Không quá ngạc nhiên khi phân tử DNA đã làm lu mờ người anh em họ kém quyến rũ của nó trong hơn nửa thế kỷ. Rốt cuộc, chuỗi xoắn kép lôi cuốn của DNA, được dệt chặt chẽ và nằm gọn bên trong nhân tế bào, giữ mã sự sống. Giống như một con ong chúa, phân tử DNA điều hành vương quốc tế bào của nó, điều hành các đơn đặt hàng cho vô số chức năng của tế bào. Các nhà khoa học nhằm khám phá nguyên nhân gốc rễ của bệnh di truyền tập trung vào DNA. Nhưng không nữ hoàng nào có thể điều hành vương quốc của mình một mình. Một nữ hoàng cần có sứ giả, người giúp việc, cận vệ và tùy viên của mình. Và đó là nơi các RNA đi vào. Giống như sứ giả của nữ hoàng của chúng, các phân tử RNA thực hiện các hướng dẫn lắp ráp protein, xúc tác các phản ứng và thực hiện các nhiệm vụ khác, giữ cho quyền thống trị tế bào của chúng luôn khỏe mạnh. Sự hiểu biết của chúng ta rất hạn chế nên các nhà khoa học đôi khi không biết tại sao một loại thuốc lại có tác dụng. Nếu bạn hình dung mỗi tế bào của mình là một vương quốc nhộn nhịp, bạn sẽ thấy hàng nghìn tỷ RNA luôn luôn tràn ngập xung quanh. Bạn sẽ thấy DNA được phiên mã — các hướng dẫn di truyền của nó được sao chép thành RNA thông tin. Các mRNA này sẽ chuyển các chỉ dẫn này đến các ribosome, protein tế bào và máy tạo peptide, chúng sẽ lắp ráp chúng cho phù hợp. Để giữ cho băng tải tiếp tục, các RNA chuyển giao sẽ cung cấp các axit amin đến dây chuyền lắp ráp protein này. Và các RNA ribosome chuyên biệt sẽ giúp ghép các axit amin này vào các phân tử protein. Trong khi đó, nhiều mRNA hơn đang được tạo ra — và khi chúng được tạo ra, chúng cũng đang được nối và cắt nhỏ vì những lý do mà các nhà khoa học không chắc chắn về điều đó. Đây chỉ là một trong những bí ẩn mà nghiên cứu của Kinney có thể làm sáng tỏ. Hành động phiên mã DNA thành mRNA bắt đầu khi một enzyme tên là RNA polymerase liên kết với DNA và bắt đầu sao chép chuỗi DNA thành một chuỗi RNA. Nhưng những gì xuất hiện không phải là một “bản nháp” rất hữu dụng. Đối với những người mới bắt đầu, mRNA thu được dài hơn khoảng 10 lần so với bình thường, vì vậy nó phải được cắt – hoặc nối, một quá trình trong đó một số phần được giữ lại và phần khác bị loại bỏ. Việc nối này được thực hiện bởi các máy phân tử được gọi là spliceosomes và bao gồm việc loại bỏ các trình tự axit nucleic không cần thiết được gọi là intron (từ các đoạn “xen vào”) và xâu chuỗi các mảnh còn lại, được gọi là exon, lại với nhau. Kinney giải thích: “Bạn có thể nghĩ RNA polymerase như một phóng viên báo chí và các spliceosomes là một biên tập viên rất, rất nghiêm ngặt. “Và thật khó hiểu tại sao bạn lại thuê một biên tập viên nghiêm ngặt như vậy ngay từ đầu — phóng viên của bạn không thể viết ít hơn sao? Vì vậy, nối có vẻ như là một quá trình rất lãng phí. Vẫn còn những cuộc tranh luận về lý do tại sao nó thậm chí còn phát triển ngay từ đầu ”. Ngoài ra trong Di truyền DNA của bạn không có gì đặc biệt Bởi Chip Rowe Ai là bố của bạn? Đó là một câu hỏi công bằng. Một nghiên cứu tổng hợp được xuất bản vào năm 2006 bởi một giáo sư nhân chủng học của Đại học Oklahoma ước tính rằng 30% nam giới có niềm tin về quan hệ cha con thấp về một đứa trẻ được biện minh cho những nghi ngờ của họ. Steitz cho biết, ngay cả trong số … ĐỌC THÊM Giả thuyết phổ biến là nó cho phép tạo ra nhiều loại protein hơn. Trong số những thứ khác, cô ấy phát hiện ra rằng bản thân quá trình nối được điều chỉnh bởi một trình phát RNA khác — các hạt protein RNA nhỏ được gọi là snRNPs, hoặc snurps. Họ tìm và loại bỏ các intron này khỏi các phân tử mRNA. Ở những người bị teo cơ tủy sống, quá trình này gặp trục trặc. Khi các intron bị loại bỏ trong quá trình nối, một exon cũng bị trục khỏi RNA SMN2 – exon 7. Và nếu không có exon đó, các protein được lắp ráp với các chỉ dẫn RNA này sẽ bị lỗi, dẫn đến teo cơ tủy sống. Krainer ví quá trình này giống như một cuốn sách dạy nấu ăn với những trang lộn xộn. Ông nói: “Bộ gen của chúng tôi giống như một thư viện, nơi có hàng nghìn cuốn sách chứa các công thức tạo ra protein, với mỗi chương đều viết ra các hướng dẫn chính xác và theo đúng thứ tự. Nhưng ở giữa các chương có những trang phụ (phần giới thiệu) không nên ở đó. Việc nối sẽ loại bỏ những trang đó, giúp việc đọc trở nên đơn giản. “Nếu nối là chính xác, bạn sẽ có những hướng dẫn hoàn hảo. Nhưng trong trường hợp của SMN2, có một khiếm khuyết trong Chương 7, vì vậy việc ghép nối sẽ loại bỏ toàn bộ chương. Bây giờ một phần hướng dẫn của bạn bị thiếu, và bạn không thể làm theo công thức ”. Và đó là nơi Spinraza đến, sử dụng phép thuật của nó ở cấp độ nối. Phương pháp điều trị về cơ bản là một đoạn ngắn của chuỗi giống DNA, liên kết với RNA SMN2 trước khi RNA đó được nối. Khi nó liên kết, nó ngăn chặn nhiều loại protein khác làm rối loạn quá trình nối – và điều đó cho phép bao gồm exon 7. MRNA thu được chứa các hướng dẫn lắp ráp protein chính xác. Loại thuốc được phê duyệt đầu tiên thuộc loại này, Spinraza đang mở đường cho các liệu pháp điều trị dựa trên RNA khác — và vì những lý do chính đáng. Phương pháp điều trị dựa trên RNA có thể có lợi thế lớn hơn so với phương pháp điều trị dựa trên protein truyền thống. Hiện tại, các nhà phát triển thuốc nhắm mục tiêu vào các protein bị trục trặc, nhằm mục đích sửa chữa các lỗi của chúng. Nhưng đó là một quá trình phức tạp và dễ xảy ra thất bại, trong đó ba điều phải trở thành sự thật, Kinney nói. Đầu tiên, thuốc phải có khả năng liên kết với một điểm hoặc một vị trí trên phân tử protein. Thứ hai, nó phải điều chỉnh hành vi giả mạo của protein — ví dụ, tắt vị trí hoạt động của protein và vô hiệu hóa khả năng gây hại của nó. Và cuối cùng, nó không được can thiệp vào bất kỳ protein nào khác trong cơ thể, để tránh ảnh hưởng đến các chức năng quan trọng khác. Kinney nói: “Đó là một vấn đề rất khó giải quyết, bởi vì“ hầu hết các protein không có nhiều mục tiêu liên kết tiềm năng ”. Ngược lại, RNA được bao phủ bởi các vị trí liên kết vì nó được thiết kế để các phân tử khác bám vào nó. Kinney nói: “Toàn bộ RNA là mục tiêu của thuốc. “Điều hạn chế duy nhất ở đây là sự hiểu biết của chúng ta về cách RNA được kiểm soát bởi các chương trình điều tiết khác nhau trong tế bào.” “Bộ gen của chúng tôi giống như một thư viện, nơi có hàng nghìn cuốn sách chứa các công thức tạo ra protein, với mỗi chương đều nêu ra những hướng dẫn chính xác”. Trên thực tế, sự hiểu biết của chúng tôi là rất hạn chế các nhà khoa học đôi khi không biết tại sao một loại thuốc lại có tác dụng. Kinney dẫn ra một ví dụ. Vào năm 2020, FDA đã phê duyệt một loại thuốc chữa bệnh teo cơ tủy sống khác là Evrysdi. So với Spinraza, nó là một phân tử nhỏ, chỉ có kích thước bằng khoảng một cặp DNA cơ bản, và dễ tạo và quản lý hơn — nó có thể được sử dụng bằng đường uống. Kinney nói: “Về cơ bản nó được phát triển bằng cách thử và sai. “Các nhà khoa học đã lấy một vài trăm nghìn phân tử ngẫu nhiên và kiểm tra từng phân tử trong các tế bào để xem những phân tử nào làm tăng SMN2 exon 7 liên kết. Phân tử ứng viên ban đầu sau đó đã trải qua nhiều năm thử nghiệm và tinh chỉnh ”. Mặc dù loại thuốc cuối cùng, Evrysdi, là an toàn và hiệu quả, các nhà khoa học vẫn đang tranh luận về cách nó hoạt động ở cấp độ phân tử — cụ thể là cách nó phân tách ra SMN2 exon 7 trong số rất nhiều exon khác. Nối là một trong những quá trình phức tạp nhất xảy ra trong tế bào người, và spliceosome là phần phức tạp nhất của bộ máy tế bào được xác định cho đến nay. Ngoài snRNPs, spliceosome bao gồm hơn một trăm loại protein khác nhau. Đáng kinh ngạc là, tất cả các phần phân tử lồng vào nhau này phải lắp ráp lại ở mỗi intron RNA. Nhiều thập kỷ nghiên cứu đã tiết lộ cách thức hoạt động của cỗ máy phức tạp này sau khi nó được lắp ráp, nhưng ít người biết hơn về cách thức spliceosome nhận ra các đoạn RNA cụ thể mà nó phải cắt ra. “Hiểu được điều này r trang bị các phương pháp tiếp cận định lượng mới, ”Kinney giải thích. Đó là những gì Kinney đang nghiên cứu. Sử dụng các thí nghiệm có độ chính xác cao, mô hình toán học và trí tuệ nhân tạo, Kinney nhằm mục đích làm sáng tỏ những bí ẩn này ở cấp độ lý sinh phân tử — cách spliceosome đọc trình tự RNA và đưa ra quyết định cắt của nó cũng như cách các loại thuốc như Evrysdi xâm nhập vào các mục tiêu cụ thể của chúng . Kinney nói, nối gây ra nhiều bệnh, bao gồm cả xơ nang và ung thư, và thậm chí cả những bệnh không gây ra bệnh, Kinney nói, “có thể được điều trị bằng cách điều chỉnh quá trình nối.” Một khi các nhà khoa học làm sáng tỏ các bánh răng phân tử liên quan đến quá trình nối, họ có thể xác định vị trí chúng đi chệch hướng và sửa chữa chúng. “Và điều đó,” Kinney nói, “sẽ mở ra rất nhiều cơ hội để tạo ra những loại thuốc mới và tốt hơn.” Lina Zeldovich lớn lên trong một gia đình khoa học người Nga, nghe những câu chuyện trước khi đi ngủ về núi lửa, hố đen và những nhà thám hiểm gan dạ. Cô đã viết cho The New York Times, Scientific American, Reader’s Digest và Audubon Magazine, trong số các ấn phẩm khác, và giành được bốn giải thưởng về khoa học phân bón. Cuốn sách của cô, Vật chất đen tối khác: Khoa học và kinh doanh biến chất thải thành của cải, sẽ được phát hành vào tháng 10 năm 2021 bởi Nhà xuất bản Đại học Chicago. Bạn có thể tìm thấy cô ấy tại LinaZeldovich.com và @LinaZeldovich. Hỗ trợ cho bài báo này được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor. Đọc thêm trên kênh Nautilus, Biology + Beyond. Hình ảnh chính: CROCOTHERY / Shutterstock

Back to top button