Drumul către tratamente genetice pentru cancer sau Alzheimer trece printr-un studiu inițiat de un cercetător român20 min read

Cercetătorul Gabriel Balmuș de la Cambridge studiază procesele inițiale de formare ale unor boli grave în celulă cu ajutorul noilor tehnici de editare genetică – și spune cum ar putea fi folosite pentru a identifica noi tratamente .

Dezvoltarea uneltelor de editare genetică precum CRISPR-Cas9 a deschis tot mai multe posibilități pentru noi tratamente care să abordeze, direct la sursa genetică, afecțiunile oncologice sau neurodegenerative. Chiar dacă încă nu există tratamente genetice omologate, tehnica este folosită în studii de amploare pentru a afla tot mai multe detalii despre ce influențează, la nivelul ADN-ului, declanșarea unei astfel de boli.

CITEȘTE ȘI: 8 boli care ar putea fi tratate cu ajutorul editării genetice CRISPR

Gabriel Balmuș este cercetător la Institutul de Cercetare al Demenței de la Universitatea din Cambridge, dar și cercetător afiliat Institutului Transilvan de Neuroștiințe (TINS) din Cluj-Napoca. El este inițiator și autor corespondent al unui studiu de amploare care folosește editarea genetică, care a fost publicat recent în  revista Nature.//„Genetic determinants of micronucleus formation in vivo”, nature.com //

Balmuș nu a participat la cercetarea de laborator, dar a avut un rol-cheie în cadrul studiului. El a identificat experții și colaborările care au umplut golurile de cunoștințe ale echipei și este responsabil și cu elaborarea de proiecte pentru atragerea de granturi de cercetare.

Studiul în cauză, efectuat pe mostre prelevate de la șoareci, a analizat rolul pe care îl joacă peste 1.000 de gene în formarea de micronuclei. Aceștia sunt structuri aberante care pot apărea în timpul diviziunii celulare, și, ulterior, se pot reintegra în ADN, ceea ce creează o instabilitate genomică care poate declanșa o gamă largă de boli.

Folosind CRISPR-Cas9, studiul a identificat 71 de gene a căror pierdere crește formarea de micronuclei, dar și, surprinzător, alte 74 care, odată pierdute, scad ritmul de formare al acestora – un rezultat neașteptat, pentru că asta înseamnă că există gene care inhibă intenționat procesele de autoreparare ale ADN-ului.

Studiul a urmărit și modul în care potențiale tratamente care țintesc aceste gene ar putea fi reconvertite pentru a stopa bolile pornite din astfel de anomalii genetice. Un exemplu acoperit în cercetare este sindromul rar Cornelia de Lange,// Boală genetică foarte rară care provoacă o gamă largă de diformități fizice, în special la nivelul capului, precum și posibile dizabilități intelectuale // însă studiul inhibitorilor de micronuclei ar putea, pe viitor, să deschidă noi oportunități de tratamente pentru diverse tipuri de cancer sau sindromuri neurodegenerative. Între acestea,  Boala Huntington, // Boală neurodegenerativă progresivă, care provoacă demență, declin cognitiv, probleme de coordonare motorii și mișcări involuntare// cea din urmă vizată și de un proiect implementat de Balmuș la TINS Cluj-Napoca.// Detalii pe tins.ro //

Am vorbit cu Gabriel Balmuș despre cum funcționează aceste mecanisme genetice care declanșează boli grave, dar și cum pot fi folosite specific informațiile din studiu pentru a ajunge la astfel de tratamente.

Gabriel Balmuș. Nathan Pitt/University of Cambridge

Peste 1.000 de linii genetice de șoareci, analizate în 11 ani

„Este un studiu care durează de 11 ani, datorită complexității lui. El este parte dintr-un studiu genetic internațional mai mare, efectuat pe cobai, în care s-a propus ca fiecare genă din genomul șoarecilor să fie scoasă, independent, pentru a vedea exact efectul pe care îl are. La studiu participa inițial și Institutul Wellcome-Sanger, la care lucram atunci. Le-am propus să ne uităm și la parametri precum instabilitatea genomică – adică capacitatea ADN-ului de a se repara și a se menține intact în organism.

Așa că am analizat peste 1.000 de linii genetice de șoareci de laborator, iar fiecare dintre acestea are câte o genă specifică lipsă. Este un studiu neinvaziv, în care luăm câțiva microlitri de sânge de la cobai și le facem diverse analize; animalele nu sunt sacrificate.

Acesta este unul din motivele pentru care durează atât de mult – vorbim de un studiu în care trebuie să observi dacă genomul rămâne stabil, sau devine instabil, atunci când scoți fiecare genă. Iar de acolo mai durează ceva timp până se înțelege un mecanism care să poată fi folosit pe tratamente la pacienți umani sau care măcar să fie relevant pentru biologia umană.”

Micronucleii transformă celule normale în celule canceroase

„Toate celulele umane au un nucleu, în care este stocat ADN-ul, înconjurat de citoplasmă. Acolo se află matrița prin care se creează toate proteinele dintr-o celulă. Cu foarte mici excepții, toate celulele au un singur nucleu.

Membranele care înconjoară nucleul trebuie să-l protejeze de citoplasma celulei, pentru că acolo sunt foarte mulți factori care îl pot afecta. Dacă ADN-ul este, totuși, avariat, celulele pot produce proteine complexe care repară regiunile avariate. Instabilitatea genomică apare atunci când o celulă, dintr-un motiv sau altul, nu își mai poate repara ADN-ul.

Într-un genom instabil, membranele pot colapsa. Așa pot apărea mici bule sau umflături ale nucleului, pe care le numim micronuclei. De ce sunt răi acești micronuclei? Pentru că, pe de o parte, ei contribuie la dezvoltarea inițială a diverselor tipuri de cancer, iar, pe de alta, pot provoca atacuri al sistemului imunitar asupra propriilor celule, mecanism care inițiază multe boli neurodegenerative.

De cele mai multe ori, micronucleii se formează atunci când celula se divide, și cromozomii sau ADN-ul se împart în fiecare celulă. Dacă ai instabilitate genomică, în timpul acestui proces bucăți din ADN – sau chiar un cromozom întreg – pot rămâne în afara noilor celule. Așa apare un micronucleu activ, care începe apoi să formeze proteine pe cont propriu. El poate avea propria membrană celulară sau poate fi complet neprotejat.

Ulterior, bucăți din acești micronuclei pot ajunge înapoi în ADN-ul nucleului- mamă. În momentul în care sunt reintroduși, ei provoacă foarte multe permutări ale ADN-ului – iar unele dintre ele pot transforma celula în una canceroasă. Acesta este un mecanism pe care îl numim «one-hit cancer formation», practic un proces de inițiere al unui cancer într-un singur eveniment celular.

Dar dacă acești micronuclei își pierd membrana nucleară, ADN-ul lor devine expus în citoplasmă. Sistemul imun îl recunoaște ca pe unul extern și inițiază un răspuns imun, ca în cazul infecțiilor cu virusuri și bacterii. În urma acestui eveniment, celulele din jur încep să fie victime colaterale ale celor cu micronuclei. În literatura de specialitate, asta este numită cascadă imunogenică, și, când are loc în creier, face parte din procesul suspectat de inițiere al multor boli neurodegenerative, precum Alzheimer. ”

Surpriza din studiu: există gene care avantajează formarea de micronuclei

„În momentul care cercetăm aceste gene, învățăm mai mult despre procesele prin care poate fi reparat ADN-ul. Ca idee, fiecare celulă trebuie să repare în fiecare oră zeci de mii de leziuni ale ADN-ului.

Dacă aceste leziuni nu sunt reparate, pe lângă instabilitatea genomică și riscul de a deveni canceroase, celulele pot intra într-un proces de sens de senescență –- adică îmbătrânire prematură.

Așa că este foarte important să știm care sunt genele care ajută sau inhibă repararea ADN-ului. De exemplu, la formarea cancerului, celulei care devine inițial malignă îi lipsește de multe ori o genă care în mod normal ar putea să o mențină netumorală – aceste gene se numesc supresori tumorali.

Studiul ne-a arătat, însă, și o surpriză. Știam că există gene care inhibă formarea de micronuclei –- ceea ce înseamnă că, dacă aceste gene când sunt pierdute sau deteriorate, crește riscul de apariție al acestora. Însă am descoperit că există și reversul: există gene care, odată pierdute, scad riscul de formare al micronucleilor.

Asta înseamnă că în organism sunt anumite gene care au rolul de a împinge sistemul să formeze din când în când acești micronuclei, și practic să creeze instabilitate genomică. Ceea ce este contraintuitiv: te-ai gândi că, deoarece repararea ADN-ului este un proces atât de important, scopul principal ar fi ca toate leziunile acestuia să fie reparate, că nu ar exista un avantaj evoluționar pentru îngreunarea lui.

Așa se ridică întrebarea: de ce ai avea gene care îngreunează sau obstrucționează repararea ADN-ului? Este o întrebare pe care va trebui s-o abordăm cu studii ulterioare, însă, până atunci, astfel de gene pot deveni ținte pentru eventuale tratamente cu metode precum CRISPR-Cas9.”

Terapiile genomice ar putea repune celulele afectate în balanță

„În studiu, am luat o astfel de genă despre care știam că, atunci când este pierdută, duce la crearea de mai mulți micronuclei, și am demonstrat că această genă funcționează la fel și în celulele umane. Apoi am folosit CRISPR-Cas9 ca să ne uităm ce gene pot aduce sistemul înapoi în balanță, odată ce acest supersor este pierdut. Pentru că, dacă te gândești la celulă ca la un sistem care este armonios și funcționează în anumite reguli, când scoți o anumită genă, acest sistem devine debalansat.

Poți să-l pui în înapoi în balanță prin două mecanisme. Poți să pui gena sau proteina respectivă înapoi, prin terapie genică, dar de multe ori acest lucru este greu sau imposibil de realizat.

Un alt mod este de a scoate o altă genă din organism, ceea ce numim letalitate sintetică sau viabilitate sintetică. În organism ai diverse mecanisme de interacțiune între gene, ceea ce înseamnă că, dacă scoți o genă, există cazuri în care poți să aduci sistemul înapoi în balanță dacă scoți o altă genă corespondentă.

Printr-o astfel de metodă am descoperit o altă genă, SIRT1, care balansează instabilitatea pe care am creat-o în experiment cu scoaterea primei gene. Și ceea ce este interesant este că există deja un inhibitor pentru această genă, care a fost testat în teste clinice pentru oameni pentru o altă boală.

Iar o categorie de boli cu reacționează cu gena pe care am scos-o inițial, la oameni, este sindromul Cornelia de Lange. Asta înseamnă că am putea folosi inhibitori de SIRT1 ca tratament pentru acest sindrom.

De altfel, cel mai rapid mod de a dezvolta un tratament este reconvertirea unuia folosit pentru o altă boală, și asta căutăm prima dată – pentru că acestea sunt deja omologate și au trecut prin studii clinice la oameni, nu ai nevoie de multe teste pe a-l folosi în alt scop.”

Bioinformaticienii de la TINS Cluj ajută cu studiul Bolii Huntington

„Altă arie de cercetare în laboratorul meu de la Cambridge este Boala Huntigton, pentru că și aceasta are o componentă de instabilitate genomică.

Am intrat într-o colaborare cu președintele TINS, Raul Mureșan, ca să aducem expertiză înapoi și în România. Așa că am aplicat pentru fonduri prin PNRR și am deschi acolo un laborator de bioninformatică. Am avut și noroc să găsesc oameni buni care, de fapt, lucrau la Cluj pentru companii americane de bioinformatică, pe care i-am recrutat.

Există o balanță între laboratorul din Cambridge, în care facem foarte multă biologie aplicată, creștem celule, facem secvențieri ș.a.m.d., și munca echipei de la Cluj, care poate analiza toate aceste date. Distanța nu e o problemă, Bioinformatica se face foarte ușor prin Zoom.

Este o colaborare care aduce ceva înapoi și institutului. Cred că în România nu sunt foarte multe institute care să aibă, de exemplu, articole cu autori corespondenți în Nature. Asta îi ridică prestigiul pentru că, de exemplu, atunci când faci o cerere granturi europene, comisia care decide se uită și la ce ai publicat, pe unde ai publicat, la nivelul întregului institut. Cu cât ai mai multe publicații și arăți că poți să duci la bun sfârșit o anumită cercetare, cu atât ai mai multe șanse de a lua granturi noi.”