Visualisierung eines in einem Endosom eingeschlossenen Lipoplex. Die DNA (gelb / rosa Stäbchen) kann nur bei Fusion des Lipoplex (rot) mit der endosomalen Membran (blau) entweichen. Bildnachweis: Marrink Lab, UG

Krankheiten mit einer genetischen Ursache könnten theoretisch durch Bereitstellung einer korrekten Version des fehlerhaften Gens behandelt werden. In der Praxis ist es jedoch schwierig, neues genetisches Material an menschliche Zellen zu liefern. Eine vielversprechende Methode zur Abgabe solcher Gene ist die Verwendung von DNA / Lipid-Komplexen (Lipoplexen). Wissenschaftler der Universität Groningen haben nun mithilfe fortschrittlicher Simulationen untersucht, wie diese Lipoplexe DNA-Fragmente in Zellen abgeben. Die Ergebnisse, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurden eLife am 16. April können verwendet werden, um ihre Effizienz zu verbessern.

Die Idee hinter der Gentherapie ist sehr einfach: Wenn eine Krankheit durch eine bestimmte Version eines einzelnen Gens verursacht wird, kann sie durch Ersetzen dieses Gens geheilt werden. Beispielsweise verursacht bei Mukoviszidose eine Mutation in dem Gen, das für das CFTR-Protein (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator) kodiert, die Krankheit. Das Ersetzen in Schleimhautzellen durch eine Kopie, die die Mutation nicht trägt, könnte dies umkehren.

Lipoplexe

Unser Körper ist jedoch sehr gut darin, fremde DNA zu zerstören, so dass es schwierig ist, ein neues Gen in eine Zelle zu bringen. Viren können sehr gut genetisches Material in Zellen abgeben, aber sie können auch die Abwehrkräfte des Körpers auslösen und eine Immunantwort erzeugen, die den Patienten krank machen kann und sich in seltenen Fällen sogar als tödlich erwiesen hat. Aus diesem Grund experimentieren Wissenschaftler jetzt mit Komplexen auf Lipidbasis, die Zellmembranen ähneln.

„Diese Lipoplexe werden von Zellen in einer Struktur aufgenommen, die als Endosom bezeichnet wird“, erklärt Bart Bruininks, Ph.D. Student in der Gruppe von Siewert-Jan Marrink, Professor für Molekulardynamik an der Universität Groningen. Bruininks ist der erste Autor auf der eLife Papier. „Das Problem ist, dass Endosomen Material verdauen, sodass die DNA schnell entweichen muss“, erklärt er. Der Lipoplex kann mit der Endosomenmembran fusionieren und die DNA in die Zelle gelangen lassen. „Dies sollte so effizient wie möglich geschehen, um einen Abbau zu verhindern. Deshalb möchten wir genau wissen, wie der Lipoplex und die Endosomenmembran interagieren.“

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Eine Visualisierung des Fusionsprozesses eines kleinen Lipoplex mit der endosomalen Membran. Nur Lipidkopfgruppen sind als kleine Stäbchen dargestellt (blau: Lipoplex, rot: Endosom). Wenn die Fusion abgeschlossen ist, wird die gesamte DNA (gelb / rosa Stäbchen) auf die andere Seite der endosomalen Membran transfiziert. Bildnachweis: Marrink Lab, Universität Groningen

Wasserkanäle

Es ist schwierig, diese Wechselwirkung durch Experimente zu untersuchen. Deshalb haben Bruininks und seine Kollegen beschlossen, die Interaktion zu simulieren. „Unsere Gruppe verfügt bereits über umfangreiche Erfahrung in der Simulation der Membranfusion.“ Unter Verwendung einer grobkörnigen molekulardynamischen Simulation wurde der Fusionsprozess zwischen dem Lipoplex und der Endosomenmembran sowie das anschließende Entweichen der DNA sichtbar gemacht. „Dies waren sehr komplexe Simulationen auf dem neuesten Stand der Technik“, sagt Bruininks.

Der Lipoplex enthält winzige Wasserkanäle, die die DNA enthalten. Die Lipide des Lipoplex verschmelzen mit der Membran des Endosoms. „Die Lipide bilden eine stielartige Verbindung, und wenn beide Schichten verschmolzen sind, öffnet sich eine Pore, die die Wasserkanäle mit dem Zellinneren verbindet und es der DNA ermöglicht, zu entweichen“, sagt Bruininks. „Dieses Bild, wie der Prozess auf molekularer Ebene funktioniert, hilft uns zu verstehen, wie wir ihn optimieren können.“ Er sagt voraus, dass mehrfach ungesättigte Fettsäuren die Fusion beschleunigen und die DNA schneller in das Zytoplasma der Zelle entweichen lassen wird. „Diese Vorhersage könnte jetzt im Labor getestet werden.“