Buněčné elektrárny - tak se běžně přezdívá organelám, které v cytoplazmě našich buněk produkují energii ve formě molekul ATP. Kdysi bývaly bakteriemi, ovšem díky procesu zvaném fagocytóza je jejich eukaryotické protějšky pohltily a došlo k nitrobuněčné symbióze, která trvá dodnes. Díky tomu disponují mitochondrie vlastní genetickou informací, která může být nositelem některých dědičných chorob.

Ty se často projeví již ve velice útlém věku. Mezi nejčastější onemocnění tohoto typu patří mitochondriální encefalomyopatie, laktátová acidóza a stavy podobné mrtvici (MELAS), multisystémové selhávání, způsobující u malých dětí opakované záchvaty. Ty mohou pramenit ze změny jediného páru nukleotidů v genu proteinu MT-TL1. Jiné choroby, jako například deplece mitochondriální DNA (MDDS) postihuje vlivem jednobodové mutace napříč více geny svaly a mozek.

Netřeba dlouze představovat nástroj genové editace CRISPR, o kterém jsme již zmiňovali v několika předchozích článcích. Tyto molekulární nůžky jsou schopné velice přesně stříhat DNA, ovšem pouze na úrovni cytoplazmy a buněčného jádra. Mitochondrie jsou obalené dvojitou a relativně obtížně propustnou membránou, na jejíž povrchu probíhá tvrdá selekce, které látky budou do její matrix vpuštěny. CRISPR membrány nepřekoná, neboť je příliš velký. Proto si vědci dlouho lámali hlavu s tím, jak využít nástroje genové editace i na úrovni mitochondriální DNA.

Bylo by nepřesné tvrdit, že doposud žádný genový editor do mitochondrie nevstoupil. Alternativní systémy, jako TALEN či ZFN již dříve mitochondriálními membránami rostlinných i živočišných úspěšně prostoupili, nedokázaly však vystřiženou sekvenci úspěšně opravit s dostatečnou přesností.

Zdroj: Ars Technica

Cesta k nalezení správného editoru, který je schopen mitochondriální DNA opravit, byla skutečně trnitá a poněkud náhodná. Joseph Mougous, biolog na Washington University, studoval toxiny, zbraně, které bakterie používají k vzájemnému boji. Jednoho dne se jeho týmu podařilo izolovat toxin druhu Burkholderia cenocepacia, který, stejně jako v předchozích případech, použili k likvidaci konkurenčních kmenů. Toxiny specificky cílily na DNA a u zasažených bakterií vyvolaly změnu jediného "písmene" z cytosinu na thymin, což způsobilo její degradaci. To byl počátek prvního "opraváře" mitochondriální DNA a práce, jejíž výsledky byly otištěny v prestižním časopise Science.

Tento systém nejenže snáze proniká do mitochondriální matrix, ale oproti CRISPRu je rovněž schopen editace dvouvláknové DNA. Běžný CRISPR se spoléhá na enzym Cas9, rozdělující dvoušroubovici na samostatná vlákna, která mohou být následně štěpena.

Aby toxin nijak neohrožoval lidské buňky, uvažují stanfordští vědci o jeho rozdělení na dvě nereaktivní části. Ty by pak byly vpraveny do těl pacientů. Pro průchodu do mitochondriální matrix by s obě části spojily s jakýmsi proteinovým "lešením" a vytvořily aktivní editor. V této podobě by již nic nebránilo jejich vazbě na cílové místo v mitochondriálním genomu a opravě poškozeného úseku DNA.

Ve studiích, které metodu testovaly na lidských buňkách, dovedl toxin po 3 až 6 dnech účinně opravit až 40% svých cílových sekvencí. Přestože se zdá, že je tato metoda velmi bezpečná, došlo při testech k několika nechtěným editacím. Výzkum stanfordských vědců je však zcela přelomový a otevírá novou kapitolu léčby dědičných chorob za pomoci bakteriálních enzymů.

Originální publikace: https://www.sciencemag.org/news/2020/07/new-method-edit-cell-s-powerhouse-dna-could-help-study-variety-genetic-diseases

Zdroj: The Scientist, zdroj titulního obrázku: GenSight Biologics