Jak alternatywne modele zwierzęce pomagają naukowcom odkryć geny odpowiedzialne za rzadkie i ultrarzadkie choroby

---

Dr Sergio Casas-Tintó, kierownik działu Drosophila Models of Human Disease Unit w ISCIII

Pojedyncze rzadkie choroby mogą dotyczyć tylko kilku osób, ale szacuje się, że łącznie około 400 milionów pacjentów na całym świecie cierpi na rzadką chorobę. Na szczęście, dzięki pojawieniu się metod sekwencjonowania całego genomu (GWS), naukowcy zbliżają się do czynników genetycznych leżących u podstaw tych schorzeń, które po zidentyfikowaniu mogą pomóc we wczesnej diagnozie i informować o interwencji terapeutycznej. Warianty genetyczne określone w ramach inicjatyw GWS wymagają dokładnego procesu walidacji w celu ustalenia ich związku przyczynowego z określoną chorobą, jeśli nie ma wcześniejszych dowodów. Modele myszy są powszechnie wykorzystywane do takich badań ze względu na ich zdolność do odtwarzania wielu aspektów szlaków chorobowych człowieka. Jednak względy biologiczne, techniczne, ekonomiczne i etyczne mogą ograniczać ich zastosowania, powodując pilną potrzebę znalezienia alternatywnych modeli zwierzęcych.

W tym wywiadzie SelectScience^® rozmawia z dr Sergio Casas-Tintó, szefem Drosophila Models of Human Disease Unit w Instytucie Badań nad Chorobami Rzadkimi (IIER) ISCIII (Instituto de Salud Carlos III, Hiszpania), aby dowiedzieć się więcej o jego pracy nad rozwojem modeli chorób wykorzystując Drosophila melanogaster, czyli muszki owocówki, do walidacji genetycznych uwarunkowań rzadkich chorób. Sergio opowiada, w jaki sposób postępy w technologii edycji genów pozwoliły jego zespołowi dokładniej modelować kandydujące warianty genetyczne, podkreśla potrzebę podejścia wielomodelowego i ujawnia, jakie ma nadzieje dotyczące przyszłości tej dziedziny.

Koncentracja na chorobach rzadkich

Sergio od ponad dekady bada mechanizmy rządzące ludzkimi chorobami i większość tego czasu spędził na badaniu zaburzeń neurodegeneracyjnych i glejaka wielopostaciowego, agresywnej postaci raka mózgu. Teraz, z siedzibą w IIER ISCIII, jego obecnym celem jest generowanie modeli Drosophila dla rzadkich i ultrarzadkich chorób, które dotykają do 6% światowej populacji, z których większość to dzieci¹. „Fakt, że te choroby są tak rzadkie, oznacza, że ​​na całym świecie jest bardzo niewielu pacjentów, a zatem istnieje znaczny brak modeli zwierzęcych” — mówi. „Jednak dzięki postępowi w technologiach edycji genów i wykorzystaniu prostych modeli zwierzęcych rozsądne jest obecnie generowanie modeli w krótkim czasie i przy ograniczonej kwocie pieniędzy”.

Rzadkie choroby są dobrymi kandydatami na genetyczne modele zwierzęce, ponieważ większość z nich ma pochodzenie genetyczne i jest spowodowana mutacjami w pojedynczym genie. Aby zidentyfikować potencjalne warianty genetyczne, Sergio i jego zespół korzystają z bazy danych danych sekwencjonowania pacjentów z rzadkimi chorobami na całym świecie. „Najpierw identyfikujemy pacjenta, którego nie można zdiagnozować, następnie sekwencjonujemy cały genom i identyfikujemy gen(y) kandydujący(e) o prawdopodobnym znaczeniu biologicznym dla objawów pacjenta, następnie zatwierdzamy mutację poprzez sekwencjonowanie Sangera i przeprowadzamy badanie funkcjonalne ” on mówi. „Czasami jest to duża delecja, ale w większości przypadków jest to mutacja punktowa – to najczęstsza modyfikacja, jaką widzieliśmy”.

Po zidentyfikowaniu interesującej mutacji następnym krokiem jest przetłumaczenie jej na model zwierzęcy i sprawdzenie, czy fenotyp przypomina objawy obserwowane u pacjenta. Tutaj zespół wykorzystuje najnowszą technologię CRISPR-Cas9 do wprowadzania określonych mutacji z dużą precyzją i wydajnością. „Możliwość generowania awatarów – modeli zwierzęcych, które teoretycznie mają tylko mutację, którą chcesz badać – to przywilej, który mamy teraz” – mówi Sergio. „Przez dziesięciolecia najlepszym podejściem była nadekspresja lub wyciszenie genów związanych z chorobą, ale teraz wiemy, że mutacje mogą nie tylko zmniejszać lub zwiększać ekspresję genu, ale także zapewniać nową funkcję. Tak więc, odtwarzając dokładnie tę samą mutację, możemy znacznie zbliżyć się do rzeczywistego scenariusza u pacjentów”.

Zrozumienie czynników genetycznych leżących u podstaw tych chorób ma kluczowe znaczenie zarówno dla poprawy możliwości diagnostycznych, jak i opracowania odpowiednich terapii – a Sergio jest podekscytowany tempem postępów. „Celem jest wskazanie konkretnego genu i konkretnej mutacji i powiedzenie niezdiagnozowanym pacjentom: to jest twój problem” – mówi. „Poza tym najbardziej cieszę się, gdy ktoś wyleczy jedno z tych dzieci. Każdy pacjent powinien mieć możliwość spersonalizowanego i precyzyjnego programu medycznego. To jeden z największych postępów, jakie mogę sobie teraz wyobrazić i myślę, że w niedalekiej przyszłości będzie to regularna praktyka”.

Rozważania eksperymentalne

Postępy w technologii edycji genów doprowadziły do ​​znacznych ulepszeń w projektowaniu modeli chorób i znacznie poszerzyły zakres systemów opartych na zwierzętach i komórkach nadających się do badań nad chorobami. W tej dziedzinie pozostaje jednak kilka istotnych wyzwań. Zasadą wśród nich jest wybór odpowiedniego systemu modelowego, który może zależeć od kilku kryteriów, w tym składu genetycznego, łatwości manipulacji, przekładalności wyników, implikacji etycznych, dostępności i kosztów. Istnieje kilka ustalonych systemów modeli genetycznych, takich jak robaki, muchy, myszy i ryby, z których każdy ma unikalne zalety i zastrzeżenia.

Muszki owocówki szczególnie dobrze nadają się do badań nad chorobami, ponieważ można je łatwo modyfikować genetycznie, mają krótki czas generacji i mogą być utrzymywane przy wyjątkowo niskich kosztach. Co najważniejsze, mają również wysoki stopień homologii genetycznej ze szlakami chorób człowieka. „Drosophila ma około 70% ochrony z genami, które są zmutowane w chorobach ludzi, więc teoretycznie może rozmnażać się w około 7 na 10 ludzkich chorób”, mówi Sergio. Jednak wyraźnie muszki owocówki nie są małymi ludźmi. Podobnie jak w przypadku wszystkich modeli, nie mogą one rekapitulować każdego aspektu rozwoju człowieka i choroby. Ponieważ nie ma idealnej opcji, Sergio uważa, że ​​najlepszym podejściem jest wykorzystanie szeregu modeli w celu potwierdzenia wyników. „Modelowanie zakłada, że ​​trzeba próbować stawić czoła problemowi z różnych punktów widzenia” — twierdzi. „Naukowcy powinni używać różnych modeli, nie tylko zwierzęcych, ale także komórkowych, modeli teoretycznych, sztucznej inteligencji i modeli matematycznych, aby znaleźć prawdę w każdym z nich.”>

Kluczowa jest współpraca

Dzięki innowacjom w genetycznym modelowaniu chorób, które pojawiają się w szybkim tempie, Sergio wierzy, że skuteczna komunikacja jest ważniejsza niż kiedykolwiek wcześniej dla osób pracujących w tej dziedzinie. „Ważne jest, aby badacze zajmujący się modelami chorób przejrzeli wszystkie najnowsze badania i szczegółowo przeanalizowali techniki” – radzi. „Techniki ewoluują szybko i czasami nie mamy czasu ani cierpliwości, aby zapoznać się z najnowszymi osiągnięciami technologicznymi. Często są ludzie, którzy mają odpowiedź na pytanie techniczne, przed którym stoisz, ponieważ już je rozwiązali”.

Dostrzega również wartość we wspieraniu współpracy między naukowcami a dostawcami technologii. „Za każdym razem, gdy masz konferencję, poświęć trochę czasu na rozmowę z ekspertem, ponieważ ta osoba prawdopodobnie ma dla ciebie rozwiązanie” — mówi. „A jeśli chodzi o firmy, nie bójcie się badaczy, to nie jest tak, że wy sprzedajecie, a my kupujemy – powinniśmy wspólnie znaleźć rozwiązanie. Będzie to oczywiście wiązało się z kosztami ekonomicznymi, ale nie zawsze jest to ograniczenie”.

1. Nguengang Wakap, S i in., 2020. Szacowanie skumulowanej punktowej częstości występowania rzadkich chorób: analiza bazy danych Orphanetu. Europejski Dziennik Genetyki Człowieka