Maždaug 25 milijonai amerikiečių turi retą genetinę ligą, ir daugelis jų kovoja ne tik su veiksmingų gydymo būdų, bet ir geros informacijos apie savo ligą trūkumu. Gydytojai gali nežinoti, kas sukelia paciento simptomus, kaip jo liga progresuos ar net neturi aiškios diagnozės. Tyrėjai ieškojo atsakymų į žmogaus genomą, buvo nustatyta daug ligas sukeliančių genetinių mutacijų, tačiau net 70 % pacientų vis dar trūksta aiškaus genetinio paaiškinimo.
Straipsnyje, paskelbtame m Molekulinė ląstelėWhitehead instituto narys Iain Cheeseman, absolventas Jimmy Ly ir kolegos siūlo, kad mokslininkai ir gydytojai galėtų gauti daugiau informacijos iš pacientų genomų, pažvelgę į juos kitaip.
Bendra išmintis yra ta, kad kiekvienas genas koduoja vieną baltymą. Kas nors, tiriantis, ar pacientas turi mutaciją ar geno versiją, kuri prisideda prie jo ligos, ieškos mutacijų, kurios paveikia „žinomą“ to geno baltyminį produktą.
Tačiau Cheesemanas ir kiti nustato, kad dauguma genų koduoja daugiau nei vieną baltymą. Tai reiškia, kad mutacija, kuri gali atrodyti nereikšminga, nes neatrodo, kad ji paveiktų žinomą baltymą, vis dėlto gali pakeisti kitokį to paties geno pagamintą baltymą. Dabar Cheeseman ir Ly parodė, kad mutacijos, turinčios įtakos vienam ar keliems to paties geno baltymams, gali skirtingai prisidėti prie ligos.
Savo darbe tyrėjai pirmiausia dalijasi tuo, ką sužinojo apie tai, kaip ląstelės naudojasi gebėjimu generuoti skirtingas baltymų versijas iš to paties geno. Tada jie tiria, kaip šiuos baltymus veikiančios mutacijos prisideda prie ligų. Bendradarbiaudami su Bostono vaikų ligoninės vyriausiuoju patologu Marku Flemingu, jie pateikia du pacientų, kuriems netipiškai pasireiškė reta anemija, susijusi su mutacijomis, kurios selektyviai paveikia tik vieną iš dviejų su liga susijusio geno gaminamų baltymų, tyrimus.
„Tikimės, kad šis darbas parodys, kaip svarbu apsvarstyti, ar dominantis genas sukuria kelias baltymo versijas ir koks kiekvienos versijos vaidmuo sveikatai ir ligoms“, – sako Ly. „Ši informacija galėtų padėti geriau suprasti ligų biologiją, geriau diagnozuoti ir galbūt vieną dieną pritaikyti šių ligų gydymui pritaikytus gydymo būdus.
Pergalvokite, kaip ląstelės naudoja genus
Ląstelės turi keletą būdų, kaip gaminti skirtingas baltymo versijas, tačiau Cheesemano ir Ly tyrimo skirtumai atsiranda baltymų gamybos metu iš genetinio kodo. Ląstelių mašinos sukuria kiekvieną baltymą pagal instrukcijas genetinėje sekoje, kuri prasideda nuo „pradžios kodono“ ir baigiasi „stop kodonu“.
Tačiau kai kuriose genetinėse sekose yra daugiau nei vienas pradžios kodonas, daugelis jų slepiasi akivaizdoje. Jei ląstelių mechanizmas praleidžia pirmąjį paleidimo kodoną ir aptinka antrąjį, jis gali sukurti trumpesnę baltymo versiją. Kitais atvejais mechanizmas gali aptikti sekciją, kuri labai panaši į pradžios kodoną ankstesniame sekos taške nei įprasta pradžios vieta, ir sukurti ilgesnę baltymo versiją.
Šie įvykiai gali atrodyti kaip klaidos: ląstelės mechanizmas netyčia sukuria neteisingą tinkamo baltymo versiją. Priešingai, baltymų gamyba iš šių alternatyvių pradinių vietų yra svarbus ląstelių biologijos bruožas, egzistuojantis visose rūšyse. Kai Ly atsekė, kada tam tikri genai išsivystė ir gamina kelis baltymus, jis nustatė, kad tai yra įprastas, tvirtas procesas, kuris buvo išsaugotas per visą evoliucijos istoriją milijonus metų.
Ly rodo, kad viena funkcija, kurią tai atlieka, yra siųsti baltymo versijas į skirtingas ląstelės dalis. Daugelyje baltymų yra į pašto kodą panašios sekos, kurios nurodo ląstelės mechanizmui, kur juos pristatyti, kad baltymai galėtų atlikti savo darbą. Ly rado daug pavyzdžių, kai ilgesnės ir trumpesnės to paties baltymo versijos turėjo skirtingus pašto kodus ir atsidūrė skirtingose ląstelės vietose.
Konkrečiai, Ly nustatė daug atvejų, kai viena baltymo versija atsidūrė mitochondrijose – struktūrose, kurios aprūpina ląsteles energija, o kita versija atsidūrė kitur. Dėl mitochondrijų vaidmens esminiame energijos gamybos procese mitochondrijų genų mutacijos dažnai yra susijusios su ligomis.
Ly svarstė, kas atsitiktų, kai dėl ligą sukeliančios mutacijos viena baltymo versija bus pašalinta, o kita nepaliestų, todėl baltymas pasieks tik vieną iš dviejų numatytų paskirties vietų. Jis peržiūrėjo duomenų bazę, kurioje yra genetinės informacijos iš retomis ligomis sergančių žmonių, norėdamas išsiaiškinti, ar tokių atvejų buvo, ir nustatė, kad taip yra. Tiesą sakant, tokių atvejų gali būti dešimtys tūkstančių. Tačiau neturėdamas prieigos prie žmonių, Ly negalėjo žinoti, kokios buvo to pasekmės ligos simptomams ir sunkumui.
Tuo tarpu Cheeseman pradėjo dirbti su Bostono vaikų ligonine, kad paskatintų Whitehead instituto ir ligoninės tyrėjų bei gydytojų bendradarbiavimą, kad būtų paspartintas kelias nuo tyrimų atradimo iki klinikinio pritaikymo. Šiomis pastangomis Cheesemanas ir Ly susipažino su Flemingu.
Viena Flemingo pacientų grupė serga anemija, vadinama SIFD – sideroblastine anemija su B-ląstelių imunodeficitu, periodiniais karščiavimu ir vystymosi vėlavimu, kurią sukelia TRNT1 geno mutacijos. TRNT1 yra vienas iš genų, kuriuos Ly nustatė kaip gaminantį savo baltymo mitochondrijų versiją ir kitą versiją, kuri atsiduria kitur: branduolyje.
Flemingas pasidalijo anoniminiais paciento duomenimis su Ly, o Ly rado du susidomėjimo genetiniais duomenimis atvejus. Daugumai pacientų buvo mutacijų, kurios sutrikdė abi baltymo versijas, tačiau vienas pacientas turėjo mutaciją, kuri pašalino tik mitochondrinę baltymo versiją, o kitam pacientui buvo mutacija, kuri pašalino tik branduolinę versiją.
Kai Ly pasidalijo savo rezultatais, Flemingas atskleidė, kad abiem šiems pacientams SIFD pasireiškė labai netipiškai, o tai patvirtino Ly hipotezę, kad mutacijos, turinčios įtakos skirtingoms baltymo versijoms, turės skirtingas pasekmes. Pacientas, kuris turėjo tik mitochondrijų versiją, buvo anemiškas, bet vystėsi normaliai. Pacientas, kuriam trūksta baltymo mitochondrijų, neturėjo vystymosi vėlavimo ar lėtinės anemijos, tačiau turėjo kitų imuninių simptomų ir jam nebuvo tinkamai diagnozuota iki penkiasdešimties.
Tikėtina, kad yra ir kitų veiksnių, kurie prisideda prie tikslaus kiekvieno paciento ligos pasireiškimo, tačiau Ly darbas pradeda atskleisti jų netipinių simptomų paslaptį.
Cheeseman ir Ly nori, kad daugiau gydytojų žinotų apie genų, koduojančių daugiau nei vieną baltymą, paplitimą, kad jie žinotų, ar nėra mutacijų, turinčių įtakos bet kuriai iš baltymų versijų, galinčių prisidėti prie ligos. Pavyzdžiui, kelios TRNT1 mutacijos, kurios pašalina tik trumpesnę baltymo versiją, nėra pažymėtos kaip ligą sukeliančios dabartinės vertinimo priemonės.
Cheeseman laboratorijos mokslininkai, įskaitant Ly ir absolventą Matteo Di Bernardo, dabar kuria naują klinikų vertinimo įrankį, vadinamą SwissIsoform, kuris nustatys atitinkamas mutacijas, turinčias įtakos specifinėms baltymų versijoms, įskaitant mutacijas, kurios kitu atveju būtų praleistos.
„Jimmy ir Iain darbas visame pasaulyje palaikys genetinių ligų variantų interpretaciją ir padės susieti genetinius skirtumus su ligos simptomų skirtumais”, – sako Flemingas. „Tiesą sakant, neseniai nustatėme dar du pacientus, kurių mutacijos paveikia tik dviejų kitų baltymų mitochondrijų versijas, kurių simptomai yra švelnesni nei pacientams, kurių mutacijos paveikia abi versijas.
Ilgainiui mokslininkai tikisi, kad jų atradimai galėtų padėti suprasti ligos molekulinį pagrindą ir kurti naujas genų terapijas: kai tyrėjai supranta, kas ląstelėje sugedo ir sukėlė ligą, jie yra geriau pasirengę rasti sprendimą. Iš karto mokslininkai tikisi, kad jų darbas pasikeis, nes gydytojams ir retomis ligomis sergantiems žmonėms bus suteikta geresnė informacija.
„Kaip pagrindinis tyrėjas, kuris paprastai nebendrauja su pacientais, yra labai patenkintas žinojimas, kad jūsų atliekamas darbas padeda konkretiems žmonėms“, – sako Cheeseman. „Kai mano laboratorija pereina prie šio naujo dėmesio, išgirdau daug istorijų iš žmonių, kurie bando įveikti retą ligą ir tiesiog gauti atsakymus, ir tai mus labai motyvavo, nes dirbame siekdami suteikti naujų įžvalgų apie ligos biologiją.