Лечение генетических болезней на уровне белка. Принципы увеличения функции мутантного белка
В последние десятилетия рост знаний молекулярной патофизиологии моногенных болезней сопровождался все более широким использованием молекулярной терапии, что повлияло на состояние пациентов со многими болезнями.
Здесь обсуждаются варианты лечения, многие из которых невозможно было представить 10 лет тому назад. Эти методы молекулярной терапии представляют один из элементов парадигмы, охватываемой понятием «молекулярная медицина». Молекулярная медицина — общий термин, используемый для описания методов диагностики, профилактики и лечения болезней, основанных на понимании молекулярных механизмов, лежащих в основе их этиологии и патогенеза.
Во многих случаях, если мутантный белковый продукт синтезирован, существует возможность увеличить его функцию. Например, активность некоторых мутантных полипептидов может быть повышена за счет улучшения их способности «укладываться» в нормальную вторичную и третичную структуру.
В других случаях может быть повышена устойчивость мутантного белка с остаточной функциональностью. Кроме того, возможно добавлять остаток, улучшающий функциональность каждой аномальной белковой молекулы. При энзимопатиях улучшение функции, получаемое таким методом, обычно очень невелико, порядка нескольких процентов, но часто это все, что необходимо для восстановления биохимического гомеостаза.
Мутации, приводящие к полному отсутствию синтеза белка, конечно же, этому методу лечения не поддаются.
Увеличение функции мутантного белка терапией с помощью малых молекул
Малые молекулы — класс веществ с молекулярными массами от нескольких сотен до нескольких тысяч дальтон. Малые молекулы обычно синтезируют химики-органики или их извлекают из природных смесей. К малым молекулам можно отнести витамины, непептидные гормоны, а также большинство лекарственных средств.
За прошлое столетие накоплена обширная фармакологическая информация относительно поглощения, метаболизма, выделения и физиологических эффектов лекарств, первоначально состоящая из исследований поведения и биологической активности малых молекул.
Витамин-чувствительные врожденные ошибки метаболизма. Биохимические аномалии многих метаболических болезней могут поддаваться лечению, иногда весьма успешно, назначением больших доз витамина — кофактора фермента, нарушаемого мутацией. Фактически витамин-чувствительные врожденные нарушения метаболизма входят в группу наиболее успешно поддающихся лечению генетических болезней.
Используемые витамины в высшей степени нетоксичны, обычно допускается безопасное введение количеств, в 100-500 раз больше необходимого для нормального питания. Например, при гомоцистинурии, вызванной недостаточностью цистатионинсинтетазы, около 50% пациентов отвечают на назначение высоких доз пиридоксина (витамин В6, предшественник пиридоксальфосфата); у большинства пациентов гомоцистин исчезает из плазмы.
Активность ферментов печени увеличивается ненамного, скажем, на 1,5-4,5% выше нормы. Повышенная концентрация пиридоксальфосфата преодолевает сниженное сродство мутантного фермента с кофактором или стабилизирует мутантный фермент. В любом случае лечение пиридоксином в значительной степени улучшает клиническое течение болезни у чувствительных пациентов. Нечувствительные пациенты обычно не имеют остаточной активности цистатионинсинтетазы.
Малые молекулы, увеличивающие складывание мутантных полипептидов. Множество мутаций нарушают способность мутантного полипептида нормально складываться. Если этот дефект удается преодолеть, мутантный белок часто в состоянии продолжить нормальную деятельность.
За последние десятилетия стало известно, что применение малых молекул может помочь преодолеть нарушения складывания белка. Мутантные мембранные белки, например, не проходят через эндоплазматический ретикулум и «застревают» в нем, где и распадаются.
Самый известный пример такой мутации — мутация AF508 белка муковисцидоза. Мутантный полипептид AF508 распознается кальций-зависимым служебным белком-шапероном в эндоплазматическом ретикулуме, удерживается там и затем деградирует. Прекрасная коррекция этого дефекта была получена на мышах, несущих мутацию AF508, при назначении куркумина, нетоксичной смеси веществ, полученных из куркумы, специи, применяемой в соусе карри.
Куркумин тормозит кальциевый насос в эндоплазматическом ретикулуме, нарушая связывание мутантного белка AF508 кальций-зависимым шапероном. У мышей отмечались нормализация транспорта хлоридов в кишечнике и носовом эпителии и резкое повышение показателя выживаемости. Клинические испытания этой, по-видимому, безвредной терапии пока впереди, но, независимо от их успеха, данный пример показывает потенциал терапии малыми молекулами в лечении моногенных болезней на уровне мутантного белка.
Терапия малыми молекулами, приводящая к пропуску мутантных стоп-кодонов. Нонсенс-мутации — класс частых (около 11%) дефектов в геноме человека. Например, приблизительно 60% пациентов с муковисцидозом среди евреев ашкенази имеют, по крайней мере, один аллель CFTR с преждевременным стоп-кодоном (например, Arg553Stop). Антибиотики аминогликозиды (например, обычно используемый гентамицин) способствуют «пропуску» преждевременных стоп-кодонов и включению вместо него аминокислоты, имеющей сходный кодон со стоп-кодоном.
Например, кодон Arg553Stop преобразуется в кодон 553Tyr, что приводит к формированию пептида CFTR с почти нормальными свойствами. Назначение гентамицина может устранить имеющиеся нарушения в носовом эпителии у больных муковисцидозом, вызванным мутациями типа стоп-кодона, увеличивая количество поступающего на поверхность эпителиальных клеток носа белка CFTR. Показано, что эффект приводит к устойчивому клиническому улучшению без признаков выраженной токсичности. Если этот принцип окажется более широко применимым с учетом того, что нонсенс-мутации встречаются очень часто, пациенты с такими аллелями могут получить значительное облегчение.
В настоящее время в лабораториях и фармацевтических компаниях изучают множество малых молекул в надежде идентифицировать новые нетоксичные вещества, способные обеспечить пропуск стоп-кодонов.
