محققان گامی کلیدی در جهت توسعه ژن درمانی برای سندرم آشر نوع 1F برمی دارند

سندرم آشر نوع 1F یک بیماری ژنتیکی نادر اما شدید است که باعث ناشنوایی، عدم تعادل و کوری پیشرونده می شود.

اکنون، تیمی به رهبری محققان دانشکده پزشکی هاروارد، چشم و گوش ماساچوست و دانشگاه ایالتی اوهایو اولین گام مهمی را به سوی توسعه ژن درمانی برای این بیماری برداشته اند.

این تحقیق که بر روی موش ها انجام شد، در 26 آوریل در شرح داده شده است ارتباطات طبیعت.

دانشمندان یک “مین ژن” را طراحی کردند – یک نسخه کوتاه شده از یک ژن -؛ برای جایگزینی ژنی که در Usher 1F جهش یافته است. این جهش باعث می‌شود سلول‌های مویی داخل گوش داخلی قادر به تولید پروتئین کلیدی درگیر در انتقال صدا نباشند. در موش‌ها، ژن مینی تولید پروتئین از دست رفته را افزایش داد و سلول‌های مو را قادر به حس صدا و بازیابی شنوایی کرد.

از آنجایی که از دست دادن بینایی در Usher 1F شامل شکل کمی متفاوت از همان پروتئین است، محققان می گویند که همین رویکرد ممکن است برای جلوگیری از نابینایی مفید باشد.

بیماران مبتلا به Usher 1F با کم شنوایی عمیق و کاهش بینایی پیشرونده به دنیا می آیند و تاکنون ما توانسته ایم راه حل های بسیار کمی به این خانواده ها ارائه دهیم.

آرتور اینژیکولیان، نویسنده ارشد، استادیار HMS جراحی گوش و حلق و بینی-سر و گردن در Mass Eye and Ear

محققان قصد دارند آزمایش این مینی ژن را در مدل های حیوانی دیگر ادامه دهند و در نهایت امیدوارند آن را در انسان آزمایش کنند.

دیوید کوری، یکی از نویسندگان ارشد، پروفسور برتارلی در علوم پزشکی ترجمه می گوید: “این کاملاً ویرانگر است که ناشنوا به دنیا بیایید و سپس بینایی خود را از دست بدهید، بنابراین ما امیدواریم که این مینی ژن در نهایت بتواند به درمانی برای این بیماری تبدیل شود.” موسسه Blavatnik در HMS.

استفاده از تخصص برای یک مشکل جدید

کودکان مبتلا به سندروم آشر معمولاً ناشنوا به دنیا می آیند یا به شدت ناشنوا هستند، تعادل ندارند و به مرور زمان با زوال شبکیه بینایی خود را از دست می دهند. نابینایی معمولا در بزرگسالی رخ می دهد.

این مشکلات به دلیل جهشی ایجاد می شود که در تولید پروتئینی به نام پروتوکادهرین-15 که اشکال کمی متفاوت در گوش و چشم دارد و برای عملکرد صحیح سلول های سیستم شنوایی و بینایی لازم است، تداخل ایجاد می کند.

محققان آزمایشگاه کوری مدت‌هاست که به نقش پروتوکادهرین-15 در گوش داخلی علاقه دارند. به طور خاص، آن‌ها می‌خواستند بدانند چگونه این پروتئین به گیرنده‌های حسی به نام سلول‌های مویی در گوش کمک می‌کند تا ارتعاشات محیط را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل کنند که مغز آن‌ها را صدا تفسیر می‌کند.

تیم کوری قبلاً متوجه شده بود که چگونه پروتوکادهرین-15 با پروتئین دیگری به نام کادهرین 23 در سلول‌های مو همکاری می‌کند تا رشته‌هایی ایجاد کند که کانال‌های یونی باز را با ارتعاش دسته‌ها به طور فیزیکی می‌کشند و به جریان الکتریکی اجازه ورود به سلول‌ها را می‌دهند. در غیاب این پروتئین، جریان الکتریکی نمی تواند وارد سلول های مو شود، تبدیل از ارتعاش به الکتریسیته اتفاق نمی افتد و مغز نمی تواند صدا را تشخیص دهد.

از طریق این کار، کوری به طراحی ژن درمانی برای Usher 1F علاقه مند شد. این درمان DNA را که پروتوکادهرین-15 را کد می کند به سلول معرفی می کند و سلول را قادر می سازد تا پروتئین را شروع کند.

با این حال، از آنجایی که پروتوکادهرین-15 بسیار بزرگ است، DNA آن برای کپسول ویروسی معمولی که برای انتقال مواد ژنتیکی به داخل سلول استفاده می شود، بسیار بزرگ است.

بنابراین محققان تصمیم گرفتند گزینه دیگری را بررسی کنند: کوتاه کردن DNA برای ایجاد یک مینی ژن که همچنان پروتئین عملکردی را کد می کند، اما به اندازه کافی کوچک است که در داخل کپسول ویروسی قرار گیرد.

یک ژن به یک مینی ژن تبدیل می شود

اولین مرحله شامل نقشه برداری پر زحمت تمام 25000 اتم در ساختار خارجی پروتوکادهرین-15 گوش داخلی بود. فرآیندی که توسط یکی از نویسندگان ارشد مارکوس سوتومایور، محقق سابق HMS و اکنون دانشیار شیمی و بیوشیمی در ایالت اوهایو انجام شد.

سوتومایور با استفاده از ترکیبی از کریستالوگرافی اشعه ایکس و میکروسکوپ کرایو الکترونی دریافت که پروتئین از اتم هایی تشکیل شده است که به شکل 11 حلقه در یک زنجیره به نظر می رسد.

Sotomayor هشت نسخه مختلف از پروتوکادهرین-15 را ساخت که هر کدام پیوندهای متفاوتی برای کوچکتر کردن پروتئین نداشتند. سپس محققان ساختارهای پروتئینی کوتاه شده را در نقشه‌های DNA مهندسی معکوس کردند که می‌توانستند آن‌ها را به عنوان ژن‌های کوچک آزمایش کنند.

سوتومایور توضیح داد: دانشی که ما با مطالعه ساختار پروتوکادهرین-15 با جزئیات طاقت‌فرسا به دست آوردیم به ما این امکان را داد که سریع‌تر نسخه‌های کوتاه‌تری از پروتئین را برای ژن درمانی طراحی کنیم.

Indzhykulian هشت ژن کوچک را روی سلول های گوش داخلی در یک ظرف آزمایش کرد. او تأیید کرد که نسخه های کوتاه شده پروتوکادهرین-15 ساخته شده از DNA مینی ژن به کادهرین 23، شریک پروتئینی آن در سلول های مو متصل می شود.

از آنجا، محققان سه ژن کوچک را انتخاب کردند که به اندازه کافی کوچک بودند تا در داخل کپسول ویروس قرار بگیرند.

نویسنده اصلی، مرینا ایوانچنکو، مربی نوروبیولوژی در HMS، سه ژن کوچک را در گوش موش‌ها که از نظر ژنتیکی برای توقف تولید پروتوکادهرین-15 اصلاح شده بودند، آزمایش کرد.

در نهایت، تنها یک ژن کوچک کار کرد.

این ژن با موفقیت سلول های مو را وادار کرد تا یک نسخه کوچک از پروتوکادهرین-15 بسازند که به کادهرین-23 متصل شد و رشته های مورد نیاز برای باز کردن کانال های یونی را تشکیل داد. سلول های مو با موفقیت ارتعاشات را به سیگنال های الکتریکی تبدیل کردند.

آزمایش شنوایی موش هایی که ژن مینی را دریافت کردند نشان داد که مغز آنها می تواند سیگنال صوتی را که از گوش آنها می آید دریافت کند. حیواناتی که قبلاً ناشنوا بودند می توانستند بشنوند.

کوری گفت: همه ما به طرز خوشایندی شگفت زده شدیم. ما فکر می‌کردیم که سال‌ها بهینه‌سازی و آزمایش چیزها و بهینه‌سازی ساختار پروتئین طول می‌کشد، اما این یک نسخه تقریباً جواب داد.»

ایوانچنکو افزود: نتایج برای ما هیجان انگیز بود. هیجان‌انگیزترین جنبه یافته‌های ما این بود که موش‌هایی که کاملاً ناشنوا بودند اکنون تقریباً به خوبی موش‌های معمولی می‌شنوند.

از گوش تا چشم

در حالی که ژن مینی با موفقیت ناشنوایی را در مدل موشی Usher 1F درمان کرد، محققان حتی بیشتر به پتانسیل آن برای درمان نابینایی مرتبط با این سندرم علاقه مند هستند.

به گفته نویسندگان، از آنجایی که کودکان مبتلا به Usher 1F بسیار ناشنوا به دنیا می آیند و ممکن است فاقد سلول های مویی در گوش داخلی باشند، بعید است که ژن مینی بتواند شنوایی آنها را بهبود بخشد. علاوه بر این، بسیاری از این کودکان قادر به دریافت کاشت حلزون هستند که به آنها امکان شنیدن می دهد.

محققان خاطرنشان کردند که نابینایی داستان متفاوتی است، زیرا کودکان مبتلا به Usher 1F با دید طبیعی متولد می شوند. به گفته آنها، اگر ژن مینی بتواند شکل پروتوکادهرین-15 را که در شبکیه وجود ندارد تولید کند، می تواند از دست دادن بینایی را متوقف کند.

اگر درمان از دست دادن بینایی هدف اصلی است، چرا باید با آزمایش ژن مینی در گوش داخلی موش شروع کنیم؟

به گفته محققان، عمدتاً به دلایل لجستیکی. فقدان پروتوکادهرین-15 تنها باعث از دست دادن خفیف بینایی در موش می شود و به کندی پیشرفت می کند. این بدان معناست که آزمایش ژن‌های کوچک در مدل‌های موش سال‌ها طول می‌کشد و تشخیص اینکه چقدر خوب کار می‌کنند دشوار است. در مقابل، موش ها به شدت ناشنوا به دنیا آمدند، بنابراین محققان در عرض چند هفته به نتایج واضحی دست یافتند.

کوری گفت: «کل این پروژه برای مطالعه گوش با این ایده طراحی شد که چیزی که در گوش کار می‌کند، بعداً می‌تواند روی چشم به‌عنوان یک اصل ایمان اعمال شود». “در حالی که بهترین سیستم تست گوش داخلی موش است، اما هدف فوری درمان نابینایی است.”

آزمایشگاه کوری اکنون در حال آزمایش مینی ژن در چشمان گورخرماهی است. مدل بهتری است زیرا زمانی که پروتوکادهرین-15 در شبکیه چشم تولید نمی‌شود، این ماهی‌ها نسبت به موش‌ها از دست دادن بینایی شدیدتر و سریع‌تری را تجربه می‌کنند.

اگر ژن مینی در شبکیه گورخرماهی کار کند، محققان به آزمایش این روش روی نخستی‌ها و در نهایت در انسان‌ها می‌پردازند.