Грибковые химические вещества могут стать новыми мощными лекарствами от рака

Фото из открытых источников

Ученые десятилетиями вкладывали средства в расшифровку геномов животных и сельскохозяйственных культур. Грибы же в основном остались без внимания. Царство грибов обычно привлекает внимание только тогда, когда портит хлеб или колонизирует чьи-то пальцы ног. Это странное «слепое пятно», учитывая все то, что грибы уже нам подарили.

Пенициллин произошел от плесени. Статины, препараты от холестерина, которые принимают миллионы людей, также восходят к химическим процессам, происходящим от грибов.

«Такое пренебрежение довольно примечательно, учитывая, как грибы повлияли на современную медицину», — сказал Сюэ Гао из Университета Пенсильвании. «От случайного открытия пенициллина до статинов, снижающих уровень холестерина, мы обязаны многими недавними прорывами в области увеличения продолжительности жизни химии грибов. Но, несмотря на это, подавляющее большинство представителей царства грибов остаются «черным ящиком».

Часть проблемы кроется в самом грибке. В дикой природе плесень активирует генные пути, которые создают химическое оружие для борьбы с бактериями. Перенесите тот же грибок в чистую лабораторную чашку, и эти пути затихнут. Ничто не атакует его, поэтому он перестает вырабатывать те самые соединения, которые исследователи надеются найти.

Чтобы добраться до этих скрытых путей, необходимо переписать гены, которые их блокируют. Именно это и вызывало разочарование на протяжении многих лет.

«Чтобы снова активировать эти скрытые сигнальные пути, нам нужен был мощный способ точного манипулирования геномом грибов, например, путем редактирования их основных регуляторных генов, но традиционные инструменты с этим не справлялись», — сказал Гао.

CRISPR-Cas9 — это известное имя в области редактирования генов уже более десяти лет. Однако в нитевидных формах он ведет себя скорее как кувалда, чем как скальпель. Он чисто разрезает обе нити ДНК, и клетка небрежно восстанавливает повреждение. В результате возникает множество непреднамеренных вставок и удалений, которые могут сорвать тщательно проведенный эксперимент.

Новый подход, называемый прайм-редактированием, полностью обходит эти двойные разрывы. Он переписывает генетический код по одной букве за раз с гораздо более точным контролем. До сих пор никому не удавалось заставить работать прайм-редактирование в нитевидных грибах. Гао и ее команда из Пенсильванского университета создали версию, которая это делает, и назвали ее fPE7max. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Biotechnology.

Чтобы этого добиться, пришлось решить две сложные проблемы. Первая — это ненадежные инструкции. Первичное редактирование основано на направляющей из РНК, которая указывает инструменту, куда двигаться и что записывать. Когда объем редактирования увеличивается, эта направляющая становится длиннее, а длинные направляющие, как правило, разрушаются до того, как работа будет завершена.

Решением команды стал белок под названием fLa. Он обволакивает хрупкую РНК и защищает её, благодаря чему инструмент может справляться с крупными вставками и удалениями, которые нарушили бы работу менее эффективных систем. В ранней версии этот белок был заимствован у человека и плохо работал внутри грибковых клеток. Переход на собственную версию белка гриба изменил всё. 

Вторая проблема заключалась в том, что грибок сопротивлялся внесению изменений. Его естественный механизм восстановления рассматривает каждое новое изменение как ошибку и отменяет его. Поэтому исследователи добавили второй белок, который на короткий промежуток времени отключает эту систему восстановления.

Благодаря совместной работе обоих исправлений, точность редактирования fPE7max приблизилась к 90 процентам, и программа оставалась надежной для многих генов и нескольких видов.

Затем последовала элегантная часть работы. Команда направила свой инструмент на ген-регулятор, называемый laeA. Этот единственный ген контролирует разветвлённые сети производства химических веществ. Измените его положение, и десятки нижестоящих метаболических путей начнут реагировать.

Непосредственно перед геном laeA находятся крошечные генетические последовательности, которые действуют как тормоз для него. Вместо того чтобы напрямую вмешиваться в ген laeA, исследователи использовали fPE7max, чтобы с предельной точностью удалить этот «тормоз».

Освободившись от тормозов, ген laeA активизировался. Спящие кластеры генов ожили, и в грибах, которые никогда не производили их в лаборатории, начали появляться незнакомые соединения. Тот же самый прием сработал и с плесенью, широко распространенной в пределах одного семейства грибов. Такое разнообразие позволяет предположить, что этот метод мог широко распространиться по всему царству грибов.

Выгода оказалась значительной.

«Мы выделили 18 различных сложных молекул, восемь из которых обладали химическими структурами, совершенно новыми для науки», — сказал Чуньсяо Сунь, научный сотрудник лаборатории Гао. «Из этих обнаруженных молекул три продемонстрировали многообещающие противораковые свойства. Эти молекулы могут служить исходными соединениями для лечения заболеваний, открывая важный новый путь для разработки лекарств».

Некоторые из недавно обнаруженных веществ принадлежали к химическому семейству, называемому пиранонигринами. В некоторых из них были обнаружены ранее не встречавшиеся структурные элементы, вплетенные в эту основную структуру.

Сначала команда протестировала новые соединения на обычных бактериях и дрожжах. Ни одно из них не показало там существенного эффекта. В отношении клеток рака человека ситуация резко изменилась. Одна молекула продемонстрировала избирательную токсичность по отношению к клеткам рака молочной железы, печени и лейкемии, в то время как другие клетки практически не затрагивались.

Оказалось, что мельчайшие структурные детали имеют огромное значение. По всей видимости, всего лишь одна серосодержащая боковая цепь определяла, сможет ли молекула убивать раковые клетки или не оказывать никакого эффекта. Уберите этот единственный признак, и активность исчезнет. Такие подсказки помогают химикам понять, что заставляет соединение работать и как они могут его улучшить.

Полученные данные указывают на гораздо больший резерв, находящийся на виду. Более 90 процентов кластеров генов грибов остаются неизученными, а это значит, что огромный запас химических веществ остается неисследованным.

«Это убедительное доказательство концепции, демонстрирующее, что следующее поколение жизненно важных терапевтических средств, возможно, уже существует в природе», — сказал Гао.

Теперь команда хочет направить fPE7max на гораздо большее количество видов грибов. План состоит в том, чтобы отказаться от старого метода поиска сокровищ, когда в надежде на удачную находку прочесывают дикие грибы, и заменить его чем-то систематизированным и воспроизводимым. Для долгое время игнорируемой области биологии это настоящий поворот. Черный ящик наконец-то начинает открываться.