Созданы полипептиды для генной терапии

Благодаря новым полипептидам клиническая генная терапия может стать на шаг ближе.

Группа исследователей из Университета Иллинойса (University of Illinois, США) продемонстрировала, что особые белки, имеющие спиральную форму и состоящие из небольшого числа аминокислот, могут эффективно доставлять фрагменты ДНК в клетки. Результаты исследования опубликованы в журнале [url=http://onlinelibrary.wiley.com/journal/10.1002/(ISSN)1521-3773]Angewandte Chemie[/url].

«Мы создали новые химические соединения, которые можно использовать в генной терапии», - говорит руководитель исследования ЦзяньЦзюнь Ченг (Jianjun Cheng), профессор химии и биоинженерии из Университета Иллинойса.

В настоящее время большинство ученых использует 2 основных метода доставки генов в клетку: с помощью модифицированных вирусов и невирусных соединений (например, синтетических полимеров или липидов). Недостатками таких методов являются либо токсичность, либо неэффективность. Полипептиды, представляющие собой небольшие цепочки аминокислот, являются перспективным материалом для применения в генной терапии благодаря своему небольшому размеру, биосовместимости и способности легко «подстраиваться» под необходимые условия.

«Существует довольно много доступных агентов для in vitro трансфекции, но мы не можем использовать их в условиях in vivo из-за высокой токсичности и большого размера некоторых комплексов. Использование наших полипептидов позволяет управлять молекулами размером до 200 нанометров, что делает их привлекательной системой доставки для применения в условиях in vivo», - говорит Ченг.

Большие надежды ученых на создание эффективной системы доставки генов ранее были связаны с полипептидом под названием поли-L-лизин (PLL). PLL имеет положительно заряженные боковые цепи, что позволяет ему растворяться в водной клеточной среде.

Однако постепенно ученые перестали активно использовать PLL из-за его высокой токсичности и ограниченных возможностей в качестве медиатора трансфекции. Ченг предположил, что низкая эффективность PLL в качестве материала для доставки генов в клетки может быть связана с его сферической формой. Полипептиды с заряженными боковыми цепями имеют тенденцию принимать форму случайно скрученного клубка вместо того, чтобы принимать форму спирали, упорядоченно закрученной вокруг своей оси.

«Мы никогда не изучали взаимосвязь между конформацией молекулы и эффективностью трансфекции, поскольку у нас не было возможности получить синтетический материал, одновременно обладающий и катионным зарядом, и большим числом спиральных структур. В данной работе мы впервые продемонстрировали, что на эффективность трансфекции значительное влияет оказывает число спиралей в полимере, используемом в качестве материала для переноса генов», - объяснил профессор Ченг.

Группа ученых под руководством профессора Ченга разработала метод получения спиралевидных полипептидов, обладающих положительно заряженными боковыми цепями.

Для того чтобы оценить эффективность спиральных полипептидов в качестве средства для доставки генов, ученые создали библиотеку из 31 полипетида, все из которых были закручены в спираль, сохраняли стабильность в широком диапазоне pH и были способны связываться с молекулой ДНК для ее доставки. Большинство из полученных полипетидов превзошли свойства PLL, а также свойства ведущего коммерческого материала под названием полиэтиленимин (PEI), обладающего как высокой эффективностью, так и выраженной токсичностью. Спиральные молекулы эффективно доставляли ДНК даже в некоторые типы клеток, с трудом поддающиеся трансфекции, например, в стволовые клетки и фибробласты.

«Ученые, похоже, отказались использовать материалы на основе полипептидов для доставки генов, потому что PLL обладает низкой эффективностью и высокой токсичностью. Разработанные и синтезированные нами полипептиды, использованные в данном исследовании, обладают хорошо контролируемой токсичностью и высокой эффективностью доставки генов в клетку. Мы продемонстрировали, что применение спирального полипептида более эффективно для доставки генов, чем применение многих коммерческих материалов», - сказал профессор Ченг.

Разработанные профессором Ченгом и его коллегами полипептиды принимают спиралевидную форму, поскольку их боковые цепи длиннее, чем у PLL, а положительные заряды не взаимодействуют с участками белка, закрученными в спираль. Положительно заряженные полипептиды легко связываются с отрицательно заряженной молекулой ДНК, образуя комплексы, поглощаемые клеточными органеллами, называемыми эндосомами. Спиралевидные структуры «разрывают» мембраны эндосом, выпуская ДНК в клетку.

Чтобы подтвердить, что спиральная форма полипептида является ключом к успешной трансфекции, ученые синтезировали 2 группы наиболее эффективных полипептидов. Одна группа полипептидов имела спиральную форму, другая – традиционную форму в виде клубка. Ученые выявили большую эффективность и стабильность результатов трансфекции при использовании спиральных полипептидов по сравнению полипептидами в форме клубка.

«У полимеров был одинаковый химический состав, разница заключалась только в форме молекул. Это доказывает значимость для трансфекции такого свойства, как спиральность полипептидного белка», - подчеркнул профессор Ченг.

Ученые планируют продолжить изучение свойств спиральных полипептидов, уделив особое внимание их способности проникать внутрь клеток. Исследователи надеются, что смогут с высокой точностью контролировать последовательность и структуру полипептидов при их применении для решения специфичных задач, включая доставку генов и лекарственных препаратов, проникновение через мембранные оболочки и антимикробное действие.

По материалам: University of Illinois at Urbana-Champaign