Naukowcy z Weill Cornell identyfikują kluczowy ludzki gen, który umożliwia zakażenie SARS-CoV-2
Naukowcy z Chen Lab, kierowani przez prof. Shuibinga Chena, zajmujący się biologią komórkową i rozwojową, opublikowali niedawno badanie identyfikujące kluczowy gen w patologii COVID-19. Gen, CIART, pomaga ustalić infekcję wirusową, która powoduje COVID-19, znaną również jako SARS-CoV-2.
SARS-CoV-2 to ogólnoustrojowy wirus układu oddechowego, który pochodzi z płuc i może rozprzestrzeniać się na wiele innych części ciała — w tym serce, wątrobę i nerki. Narządy te zwykle reagują inaczej na infekcję, co może mieć śmiertelne konsekwencje. Zespół badawczy Chen stworzył wiele modeli małych trójwymiarowych skupisk tkanki ludzkiej, zwanych organoidami, w celu poszukiwania wspólnych czynników gospodarza, które mogą umożliwić infekcje SARS-CoV-2 w różnych typach tkanek.
Dongxiang Xue, współpracownik naukowy w laboratorium Chen i współautor badania, podkreślił, że podejście wieloorganoidalne było kluczowe dla przełomu zespołu. W ciągu ostatnich trzech lat laboratorium Chen przeprowadziło badania pojedynczych organoidów i odkryło wiele efektów specyficznych dla narządów. Chociaż wyniki były obiecujące, nie dały ogólnego obrazu szlaku infekcji SARS-CoV-2.
„Jeśli naprawdę chcemy zablokować infekcję wirusową, celowanie w mechanizm w jednym narządzie nie wystarczy” – powiedział Chen. „Chcemy wykorzystać ten wieloorganoidalny model do identyfikacji wspólnych mechanizmów między różnymi narządami. W przyszłych badaniach przeciwwirusowych będziemy w stanie zająć się celem, który jest istotny w układach wielonarządowych”.
Xuming Tang, współpracownik naukowy w laboratorium Chen i współautor badania, podkreślił, w jaki sposób zespół wykorzystał ludzkie komórki macierzyste do stworzenia modeli tkanki pęcherzyków płucnych, odpowiedzialnych za wymianę gazów w płucach i tkance mięśnia sercowego – z których oba są wiadomo, że oba są dotknięte SARS-CoV-2.
Następnie zespół zainfekował organoidy różnymi stężeniami wirusa. Wykorzystując sekwencjonowanie RNA – technikę wskazującą, które geny są włączane i wyłączane w komórce w różnym czasie – byli w stanie odkryć, że 18 genów stało się konsekwentnie bardziej aktywnych w odpowiedzi na infekcję wirusową w różnych organoidach i stężeniach wirus.
Po zidentyfikowaniu 18 genów naukowcy wykorzystali CRISPR, technologię inżynierii genetycznej, aby przetestować ich specyficzną rolę w zakażeniu SARS-CoV-2. Stworzyli „komórki nokautowe”, w których określone geny będące przedmiotem zainteresowania zostały wyłączone.
„Korzystając z CRISPR, wyeliminowaliśmy geny w kardiomiocytach – tkance mięśnia sercowego – i wystawiliśmy te komórki na działanie wirusa, aby sprawdzić, czy brak genów hamuje infekcję” – powiedział Xue. „Na tej podstawie wybraliśmy geny o największym potencjale”.
Wydaje się, że trzynaście genów odgrywa rolę w umożliwieniu SARS-CoV-2. W komórkach z nokautem, w których te geny były stłumione, poziom wirusa był niższy. Najsilniejszym aktywatorem mającym największy wpływ na poziomy wirusów był CIART.
CIART to białko, o którym wcześniej wiadomo było, że reguluje pętlę sprzężenia zwrotnego zegara okołodobowego, która wywołuje uczucie senności i czujności w zależności od obecności światła słonecznego w otoczeniu. Nigdy wcześniej nie był kojarzony z SARS-CoV-2.
Testy wykazały, że CIART zwiększa zdolność SARS-CoV-2 do reprodukcji i rozprzestrzeniania się poprzez zwiększenie produkcji niektórych lipidów za pośrednictwem szlaku zwanego szlakiem RXR. Dostarczenie tych lipidów ma kluczowe znaczenie dla replikacji wirusa, a zespół odkrył, że traktując organoidy eksperymentalnym inhibitorem RXR przed wystawieniem ich na SARS-CoV-2, byli w stanie skutecznie zablokować infekcję.
Z klinicznego punktu widzenia odkrycia te wskazują, że celowanie w CIART i szlak RXR może być skuteczną metodą leczenia zakażenia SARS-CoV-2. W szczególności ta strategia może okazać się korzystna, ponieważ jest ukierunkowana na stronę hosta w interakcji wirus-gospodarz. Wiele obecnych ścieżek leczenia przeciwwirusowego SARS-CoV-2 ma na celu zajęcie się stroną wirusa, ale problem polega na tym, że wirus może szybko się przystosować, a na całym świecie zidentyfikowano już setki odmian. Według Roberta Schwartza, współautora i profesora nadzwyczajnego medycyny w Weill Cornell, wirusowi znacznie trudniej jest rozwinąć oporność po stronie gospodarza.
Zastanawiając się nad procesem badawczym, Chen podkreślił znaczenie pasji i wytrwałości jako siły napędowej odkryć naukowych, zwłaszcza w pionierskich badaniach nad COVID-19. Zespół rozpoczął projekt w 2020 r., a przygotowanie pełnych wyników do publikacji zajęło około dwóch i pół roku.
„W przypadku tego projektu musieliśmy odpowiedzieć na bardzo ważne pytanie, a ciekawość i pasja skłoniły nas do znalezienia odpowiedzi na pytanie o infekcję SARS-CoV-2” – powiedział Tang.
Naukowcy z laboratorium Chen będą nadal badać, w jaki sposób te wieloorganoidalne modele można wykorzystać do badania infekcji wirusowych. Tang i Xue realizują dwa niezależne projekty dotyczące modelowania heterogeniczności ludzkich genomów i odkrywania skuteczniejszych celów leków dla SARS-CoV-2.
„Model organoidów do badania infekcji wirusowych jest stosunkowo nową metodą. Jeśli zapytasz, co naukowcy robili pięć lat temu przed COVID-19, wielu używało wirusowych linii komórkowych i modeli zwierzęcych” – powiedział Chen. „Z COVID-19 dowiedzieliśmy się o nowych możliwościach badania infekcji wirusowych i szerzej – chorób zakaźnych. Zdecydowanie jesteśmy zainteresowani budowaniem bardziej skomplikowanych modeli, dodawaniem różnych komponentów, aby były bliższe ludzkim systemom”.
Kaitlin Chung jest pisarką. Można się z nią skontaktować o godz [email protected].
