Генетически модифицированный ботулинический токсин может помочь в лечении сотен заболеваний – от нейродегенеративных нарушений до воспаления. Гарвардские исследователи рассказывают, что они научились создавать протеазы с высокой селективностью. Это ферменты, которые разрезают белки, чтобы активировать или дезактивировать их.
Когда люди слышат “ботулинический токсин”, они часто думают о разном. Например, о косметической процедуре, с помощью которой убирают морщинки. Или о смертельном яде. Или об инъекциях для снятия спастичности при неврологии.
Согласно пресс-релизу, группа исследователей из Гарвардского университета и Broad Institute доказала, что они могут быстро проектировать и производить токсины, которые избирательно воздействуют на множество различных белков.
Этот инструмент – суперселективные протеазы, которые могут способствовать нейрорегенерации, регулировать гормоны роста, успокаивать безудержное воспаление или ослаблять опасный для жизни иммунный ответ, называемый цитокиновым штормом.
«Теоретически существует действительно широкий спектр нарушений, на которые вы можете повлиять», – сказал Трэвис Блюм, научный сотрудник кафедры химии и химической биологии и первый автор публикации, которая готовится в Nature.
Исследование стало кульминацией сотрудничества с Мин Донгом, доцентом Harvard Medical School, Дэвидом Лю, профессором естественных наук Томаса Дадли Кэбота, исследователем Howard Hughes Medical Institute и одним из основных преподавателей Broad Institute.
Вместе команда решила две задачи. Они успешно перепрограммировали протеазы – ферменты, которые разрезают белки, чтобы активировать или дезактивировать их. Вырезаются новые белковые мишени, которые могут быть совсем не похожи на естественные мишени исходных протеаз. При этом превоначальные мишени не поражаются.
Они также подошли к решению того, что Блюм назвал «классической задачей в биологии»: разработать методы воздействия внутри клетки. В отличие от большинства крупных белков, протеазы ботулинического токсина могут проникать в нейроны в больших количествах. Такой широкий доступ делает их еще более привлекательными в качестве потенциальных терапевтических средств.
Сильные стороны и проблемы использования протеаз в терапии
Список уникальных сильных сторон протеаз в качестве терапевтических средств: мощные, могут активировать или модулировать, могут увеличивать или сокращать время жизни целевого белка. И ключевые проблемы: никакая предыдущая технология не позволяла получить селективные протеазы.
Теперь технология команды может создавать протеазы с индивидуальными возможностями выбора белка. «Это делает редактирование протеома возможным», – сказал Лю, – «таким образом, мы можем дополнить недавние разработки технологий редактирования генома».
Современные технологии редактирования генов часто нацелены на хронические заболевания. Например, серповидно-клеточная анемия, вызванная болезнетворной мутацией. Исправьте ее, и симптомы исчезнут. Но некоторые острые заболевания, например, неврологические повреждения после инсульта, не вызваны генетической ошибкой. Вот тут-то и пригодится терапия на основе протеаз. Например, белки могут помочь повысить способность организма излечивать повреждения нервов с помощью непродолжительного или даже однократного лечения.
Ученые десятилетиями стремились использовать протеазы для лечения болезней. В отличие от антител, которые могут атаковать только определенные чужеродные вещества в организме, протеазы могут находить любое количество белков и прикрепляться к ним, а после связывания могут делать больше, чем просто уничтожать свою цель. Например, они могут реактивировать спящие белки.
«Несмотря на эти важные особенности, протеазы не получили широкого распространения в качестве терапевтических средств для человека, – сказал Лю, – прежде всего из-за отсутствия технологии создания протеаз, которые разрезают выбранные нами белковые мишени».
Но у Лю есть технологический козырь в кармане: PACE (phage-assisted continuous evolution). Эта платформа, изобретенная лабораторией Лю, быстро создает новые протеазы с ценными характеристиками. По словам Лю, PACE может создавать десятки поколений протеаз в день с минимальным вмешательством человека. Используя PACE, команда сначала научила так называемые «беспорядочные» протеазы – те, которые естественным образом нацелены на широкий спектр белков, – чтобы они стали гораздо более избирательными. Когда это сработало, они перешли к более сложной задаче: научить протеазу распознавать лишь одну совершенно новую цель.
«Вначале, – сказал Блюм, – мы не знали, возможно ли вообще разработать этот уникальный класс протеаз или научить их расщеплять что-то новое, потому что этого не было раньше. Это казалось слишком амбициозным», – сказал Майкл Пакер, бывший сотрудник лаборатории Лю и автор статьи). Но протеазы превзошли ожидания команды. С помощью PACE они развили четыре протеазы из трех семейств ботулинического токсина; у всех четырех не было обнаружено активности в отношении своих первоначальных целей, и они разрезали свои новые цели с высоким уровнем специфичности (от 218 до более чем 11 000 000 раз). Протеазы также сохранили свою ценную способность проникать в клетки. «В итоге вы получаете мощный инструмент для внутриклеточной терапии», – сказал Блюм. «Теоретически».
«Теоретически», поскольку работа обеспечивает прочную основу для быстрой генерации многих протеаз с новыми возможностями, но необходимо проделать гораздо больше работы, прежде чем такие протеазы можно будет использовать для лечения людей. Есть и другие ограничения: белки не идеальны для лечения хронических заболеваний, потому что со временем иммунная система организма распознает их как чужеродные вещества, атакует и обезвреживает. Хотя ботулинический токсин сохраняется дольше, чем большинство белков в клетках (до трех месяцев, в отличие от типичного жизненного цикла белка, составляющего часы или дни), модифицированные протеазы могут иметь более короткий срок жизни, что может снизить их эффективность.
Тем не менее, поскольку иммунной системе требуется время для идентификации чужеродных веществ, протеазы могут быть эффективными для непродолжительного лечения. И, чтобы обойти иммунный ответ, команда также хочет разработать другие классы протеаз млекопитающих, поскольку человеческое тело с меньшей вероятностью атакует белки, похожие на их собственные.
Поскольку работа над протеазами ботулинического токсина оказалась настолько успешной, команда планирует продолжить работу и с ними, что означает продолжение сотрудничества с Мин Донгом, у которого есть необходимое разрешение Центров по контролю за заболеваниями (CDC), чтобы работать с ботулиническим токсином. Сотрудничество также позволяет критически оценивать потенциал медицинского применения и мишени для протеаз.
«Мы все еще пытаемся понять ограничения системы», – сказал Блюм, – «но в теории, мы можем подумать об использовании этих токсинов для расщепления практически любого интересующего белка». Просто нужно выбрать, какие белки будут следующими.