Choroba często zaburza wytwarzanie białek w komórkach dotkniętego nią organizmu. Bywa, że powstaje za mało potrzebnych białek lub są one nieprawidłowe, ale szkodliwa może być też nadprodukcja. Skrajnym przypadkiem jest choroba nowotworowa.

Jednym ze sposobów radzenia sobie z takimi problemami jest terapia genowa - dostarczanie do organizmu materiału genetycznego kodującego białka, które wspomagają prawidłowe działanie komórki.

Początkowo jako materiał genetyczny próbowano stosować DNA. Niestety, ze względu na bardzo złożoną strukturę DNA istnieje duże ryzyko, że dostarczone geny rozwiążą część problemów, ale spowodują nowe, czasem poważniejsze.

Dlatego lekarze wiążą duże nadzieje z mRNA – cząsteczkami mniejszymi i prostszymi, łatwiejszymi do przygotowania w laboratorium. Ponadto w przeciwieństwie do DNA mRNA nie modyfikuje na trwałe zapisu genetycznego.

Cząsteczki mRNA to tworzone w komórkach naturalne polimery. Są nośnikiem kodu genetycznego i pełnią rolę wzorców przy produkcji nowych białek.

Cząsteczka mRNA żyje w komórce od kilku minut do kilku godzin, po czym jest degradowana przez enzymy. Krótki czas życia mRNA – także wytworzonego w celach terapeutycznych – ogranicza jego wykorzystanie. Lekarze chcieliby, aby mRNA użyte w preparatach leczniczych „żyło” dłużej niż jego naturalny odpowiednik.

Znaczące osiągnięcia w badaniach terapeutycznego mRNA ma zespół utworzony w Zakładzie Biofizyki Instytutu Fizyki Doświadczalnej na Wydziale Fizyki UW. Naukowcy z UW od lat badają możliwość wykorzystania w terapii genowej mRNA ze zmodyfikowanym kapem - fragmentem inicjującym biosyntezę białka.

Jak napisano w przesłanym PAP komunikacie Wydziału Fizyki UW, inicjatorem badań nad modyfikacjami mRNA jest prof. Edward Darżynkiewicz (WF UW), zaś liderem zespołu pracującego nad terapeutycznie ważnymi modyfikacjami – prof. Jacek Jemielity. W zespole pracuje kilkunastu badaczy – doktorów i studentów, a głównym animatorem prac na WF UW jest dr Joanna Kowalska.

Opublikowane niedawno wyniki wskazują, że nowe związki - projektowane i otrzymywane na UW - są trwalsze i działają skuteczniej niż ich naturalne odpowiedniki. Można je także wytwarzać niewielkim kosztem.

Warszawskie badania są kontynuowane - zmierzają do znalezienia jeszcze użyteczniejszych analogów kapu, opracowania technologii masowej produkcji terapeutycznego mRNA oraz do zrozumienia przebiegu procesów naturalnej syntezy białek.

„Kap7-metyloguanozynowy znajduje się na jednym z końców mRNA (tzw. końcu 5’)- wyjaśnia prof. Darżynkiewicz. - W cytoplazmie struktura kapu rozpoznawana jest przez czynnik eIF4E inicjujący proces biosyntezy białek, czyli translacji. Ten etap decyduje o szybkości całej złożonej sekwencji zdarzeń, które kończą się wyprodukowaniem białka w komórce. Obecność kapu chroni też mRNA przed przedwczesną degradacją przez enzymy przecinające - nukleazy. Niestety, komórki posiadają naturalny mechanizm usuwania kapu przez tzw. enzymy degradacji kapu (decapping enzyme, np. Dcp1/Dcp2). Kilka lat temu odkryliśmy, że zastosowanie modyfikowanych analogów kapu może uodpornić koniec 5’ mRNA na degradację i zwiększa wydajność".

"W pracy opublikowanej niedawno w czasopiśmie Nucleic Acids Research zaprezentowaliśmy nową klasę zmodyfikowanych kapów - udoskonaloną wersję tych znajdujących się obecnie w badaniach klinicznych - informuje prof. Jemielity. -Modyfikacja polega na zamianie atomu tlenu atomem siarki w kilku pozycjach. Kap jest wówczas rekordowo efektywnie wiązany i ma wysoką odporność na degradujące enzymy. Modyfikacja prowadzi do powstania znacznie większej ilości terapeutycznego białka".

Dla pacjentów bardzo ważna jest dostępność leku. Tradycyjne enzymatyczne metody syntezy są mało wydajne. „Gdy w 2010r. musieliśmy przygotować pierwsze 4 gramy kapu do badań klinicznych, zajęło to pół roku. Ta ilość wystarczała na leczenie zaledwie 12-13 pacjentów” - przypomina dr Kowalska.

Tymczasem potencjalne roczne zapotrzebowanie można szacować na kilogramy. "Zwróciliśmy uwagę na tzw. chemię kliknięć - opowiada mgr Sylwia Walczak. - To metoda syntezy złożonych związków z chemicznych klocków - półfabrykatów. Każdy klocek ma przynajmniej jeden fragment, który – gdy napotka swój odpowiednik w innej cząsteczce – łączy się z nim, działając jak odzieżowy zatrzask".

Badając możliwości zastosowania tej metody polscy naukowcy otrzymali 36 nowych wariantów. „Dwa z nich po wprowadzeniu do mRNA działają równie dobrze, co naturalny kap” - dodaje mgr Anna Nowicka.

"Po raz pierwszy udało się nam zaprojektować i otrzymać związki, które naśladując kap, są zdolne do hamowania aktywności enzymu Dcp1/Dcp2 odcinającego kap od mRNA, co decyduje o zniszczeniu mRNA - chwali się dr Marcin Ziemniak. - (...) Upraszczając, można powiedzieć, że kompleks enzymatyczny połknął naszą niestrawną przynętę imitującą kap w mRNA i został zamrożony tuż po połączeniu. Wraz ze współpracownikami z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco, stosując metody rentgenostrukturalne (...), mogliśmy poznać strukturę kompleksu enzymatycznego odpowiedzialnego za odcięcie kapu".

Wyniki zostały opublikowane w dwóch prestiżowych czasopismach naukowych: RNA i Nature Structural and Molecular Biology. Dzięki nim naukowcy lepiej zrozumieją mechanizm procesu degradacji kapu (dekapingu). „Jesteśmy przekonani, że pozwoli nam to zaprojektować jeszcze lepsze inhibitory procesu dekapingu mRNA” - zapewnia prof. Jemielity. - Będą one użyteczne nie tylko w dalszych badaniach nad procesami degradacji mRNA, ale spodziewamy się, że znajdą zastosowanie terapeutyczne m.in. w terapii wspomagającej szczepionki przeciwnowotworowe i w terapiach przeciwwirusowych".

Naukowcy podkreślają, że problemy, którymi się zajmują, wymagają interdyscyplinarnego podejścia. "Mamy dostęp do bardzo dobrze wyposażonych laboratoriów badawczych, jednak wiele innych zespołów na świecie również posiada podobną aparaturę. Naszą przewagą jest jednak kapitał ludzki, który umożliwia połączenie ekspertyz z dziedziny (bio)fizyki, chemii, oraz biologii molekularnej i komórkowej. Prowadzenie badań na styku trzech różnych dziedzin i możliwość spojrzenia na ten sam problem badawczy z różnych perspektyw jest niezwykle stymulujące intelektualnie i skutkuje zupełnie nowymi pomysłami i rozwiązaniami, do których dużo trudniej byłoby dojść patrząc na problem tylko z jednej strony. Uważam, że w tej dziedzinie jest to unikalne podejście, nie tylko w skali naszego kraju, ale również świata” - podsumowuje dr Kowalska.

PAP - Nauka w Polsce

pmw/ agt/