Исследователи Сеченовского университета совместно с коллегами из Питтсбургского университета описали наиболее перспективные направления использования генной инженерии в изучении и лечении болезни Паркинсона. С помощью этого метода можно оценивать роль различных клеточных процессов в развитии заболевания, разрабатывать новые лекарства и способы терапии, эффективность которых в дальнейшем можно проверить, используя животные модели болезни Паркинсона. Подробнее о работе можно прочитать в журнале Free Radical Biology and Medicine. 

Болезнь Паркинсона – хроническое нейродегенеративное заболевание, которое приводит к двигательным, когнитивным нарушениям, проблемам с речью. Чаще всего болезнь развивается у пожилых людей (старше 55-60 лет) и постепенно прогрессирует, на поздних стадиях человек не может самостоятельно передвигаться и обслуживать себя. Пока не найдено лекарства или способа терапии, способных восстановить утраченные функции организма, однако замедлить развитие и облегчить симптомы заболевания можно с помощью медикаментов и хирургических операций. 

Известно, что возникновение болезни Паркинсона связано со значительным (на 50-70%) уменьшением числа дофаминергических нейронов головного мозга – нервных клеток, передающих сигналы с помощью нейромедиатора дофамина. Еще один признак – появление в нервных клетках телец Леви – скоплений олигомеров белка α-синуклеина. 

Ученые обнаружили довольно много механизмов, которые, возможно, запускают или усугубляют развитие болезни Паркинсона. Примерно в 10% случаев заболевание имеет наследственный характер, в остальных случаях развитие заболевания обуславливается как генетической предрасположенностью, так и факторами окружающей среды: употреблением некоторых лекарств, отравлением пестицидами или гербицидами. 

Авторы статьи сосредоточились на возможных причинах заболевания, которые связаны с окислительно-восстановительными реакциями в клетках и механизмами программируемой клеточной смерти – апоптозом и ферроптозом. Эти процессы ученые рассматривали в контексте применения CRISPR/Cas9 – одного из методов геномного редактирования, который позволяет проводить разнообразные манипуляции с ДНК (например, добавлять и вырезать отдельные последовательности нуклеотидов в молекуле). 

«Болезнь Паркинсона – второе по распространенности нейродегенеративное заболевание в мире, риск развития которого существенно повышается с возрастом. Болезнь влияет на качество жизни пациентов, требует значительных трат на медикаменты и уход за такими больными. CRISPR представляет собой перспективную технологию, стратегию для лечения и терапии нейродегенеративных заболеваний. Исследовательский потенциал технологии чрезвычайно велик: можно выключать/запускать любые гены, смотреть, в каких процессах они задействованы, отслеживать целые метаболические пути, приходя к пониманию истоков заболевания, механизмов и путей, на которые необходимо воздействовать. Особого внимания заслуживает применение CRISPR-редактирования для создания животных и клеточных моделей, которые полно и точно отражают клиническую картину заболевания, позволяя создавать и тестировать новые лекарственные средства и разрабатывать новые способы терапии болезни Паркинсона», – рассказала один из авторов работы, студентка 4 курса Сеченовского университета и член Сеченовского биомедицинского клуба Маргарита Артюхова. 

Первая группа механизмов, которую рассматривали учёные, связана с ролью митохондрий в развитии заболевания. Помимо снабжения клетки энергией, митохондрии обеспечивают синтез активных форм кислорода (АФК), служащих для передачи сигналов внутри клетки. Нарушение работы или повреждение митохондрий может приводить к опасному для клетки накоплению АФК, поэтому для поддержания целостности клетки необходимо своевременное удаление поврежденных митохондрий, которое может выполнять сама клетка (этот процесс называется митофагией). Неэффективная или чрезмерная митофагия может вызывать повреждение клеток и тканей, в том числе нейронов. Исследования также показывают, что мутации в генах, кодирующих белки PINK1 и Parkin (они участвуют в регуляции митофагии) связаны с потерей дофаминергических нейронов и мышечной дистрофией, характерными для болезни Паркинсона. Работы нескольких научных групп говорят о том, что роль этих белков может быть намного сложнее и в регулирование процесса митофагии могут быть вовлечены многие другие механизмы, поэтому применять редактирование генома для воздействия на их синтез пока рано. Известно еще несколько белков и липидов, влияющих на работу митохондрий и митофагию (например DJ-1, α-синуклеины, Fbxo7 и кардиолипины), и CRISPR/Cas9 можно использовать для поиска новых генов и белков, связанных с заболеванием, и оценки их роли в развитии и прогрессировании патологии. Кроме того, получение животных и клеточных моделей с различными сочетаниями мутаций позволит определить роль этих белков в развитии болезни, а также создать экспериментальные модели, наиболее точно отражающее основные черты заболевания. 

Вторая группа клеточных процессов связана с накоплением железа. Для работы клетки очень важно поддержание определенного уровня железа и активных форм кислорода, и этот баланс нарушается при многих неврологических расстройствах. У животных и людей в пожилом возрасте железо накапливается в тканях мозга, особенно в областях, ответственных за двигательные и когнитивные функции, по-видимому, это связано с нарушением обмена веществ в целом. Установлено, что накопление железа в одной из этих областей (черной субстанции) приводит к гибели дофаминергических нейронов. Кроме того, при взаимодействии дофамина с железом могут образовываться токсичные соединения, повреждающие митохондрии и провоцирующие скопления олигомеров α-синуклеина в нейронах. Также ученые исследуют белки, которые участвуют в транспортировке железа в нейроны и его выведении из клеток: тау-белок, трансферрин, трансферриновый рецептор, ферропортин, предшественник бета-амилоида. CRISPR/Cas9 может помочь в поиске и синтезе новых лекарственных препаратов, эффективно и точно регулирующих метаболизм железа в клетках. Такая технология облегчит подбор стратегии лечения для каждого конкретного пациента. 

Третья группа механизмов, которую изучили авторы статьи, связана с процессами программируемой клеточной смерти, апоптозом и ферроптозом. Апоптоз служит запасным механизмом на случай, если разрушения поврежденных митохондрий недостаточно для продолжения нормальной работы клетки. В ходе клеточной смерти этого типа специальные ферменты разрушают белки и ДНК клетки, а сама она разделяется на фрагменты. Ферроптоз развивается, когда в клетках накапливаются продукты окисления липидов, в котором важную роль играет железо. Оба типа клеточной смерти участвуют в развитии неврологических заболеваний, увеличивая интенсивность гибели дофаминергических нейронов. Здесь CRISPR/Cas9 пригодится и в детальных исследованиях механизмов клеточной смерти, и в регулировании синтеза белков, способствующих или препятствующих гибели клетки. 

Функциональный анализ генома и синтезируемых белков, с помощью которого были получены многие из этих результатов, уже показал свою эффективность в исследованиях шизофрении, биполярного расстройства, расстройств аутистического спектра. В сочетании с CRISPR/Cas9 он поможет сформировать представления ученых о генетической основе болезни Паркинсона, ускорить создание индивидуальных клеточных моделей, разработку лекарств и способов терапии. 

«Технология CRISPR сделала огромный шаг на пути к использованию геномного редактирования для лечения пациентов с тяжелыми заболеваниями, к которым относятся и нейродегенеративные заболевания. Она уже была опробована в клинике (в Китае, США, Германии), правда, пока только для лечения пациентов с раком на поздний стадиях и β-талассемией. Такие исследования позволят увидеть обширный потенциал и возможности геномного редактирования как метода лечения и терапии. Сложно не испытывать глубокое чувство волнения и трепета, понимая, что развитие технологий геномного редактирования может полностью изменить наше представление о лечении болезни Паркинсона и других нейроденеративных заболеваний», – добавила Маргарита Артюхова.