Der neue Gen -Editor Evocast ermöglicht eine präzise Insertion vollständiger Gene

Fragen Sie Wissenschaftler, welches Gen -Bearbeitungsinstrument am meisten benötigt wird, um die Gentherapie voranzutreiben, und sie würden wahrscheinlich ein System beschreiben, das in den Labors von Samuel Sternberg am Columbia University Vagelos College of Physicians und Chirurgen und David Liu am Broad Institute of MIT und Harvard nahezu realisiert wird.

Der Gen-Editor hat Evocast-GoTs erheblich zur Lösung eines Problems bezeichnet, das die Entwicklung von Gentherapien von den Anfängen des Feldes verwechselt hat: Wie man definierte Orte im menschlichen Genom fügt, ohne unerwünschte Modifikationen zu erzeugen.

Die neueste Iteration des Editors, die komplexe Enzyme verwendete, die in Bakterien gefunden wurden, kann so programmiert werden, dass ein ganzes Gen – oder mehrere Gene – in einen spezifischen Ort im menschlichen Genom mit einer für die Gentherapie geeigneten Effizienz eingefügt werden. Details des Herausgebers werden in einem Papier beschrieben, das am 15. Mai in veröffentlicht wurde Wissenschaft.

Die Notwendigkeit eines fortschrittlichen Geneditors

CRISPR-Cas, Viren und andere Bearbeitungssysteme haben es Dutzenden genetischer Medikamente ermöglicht, die jetzt für Patienten entwickelt werden, aber alle aktuellen Methoden haben Nachteile. Einige Methoden sind präzise, ​​aber nur kleine Korrekturen vornehmen. Viren, die am häufigsten verwendete Methode in der Gentherapie, können vollständige Gene einfügen, dies jedoch zufällig bei der Aktivierung von Immunantworten.

Ein Werkzeug wie Evokast könnte die Gentherapie zuverlässiger und effizienter machen, insbesondere bei Krankheiten wie Mukoviszidose und Hämophilie, die durch eine von Tausenden unterschiedlicher Mutationen verursacht werden.

Hunderte bis Tausende verschiedener Mutationen im CFTR -Gen können beispielsweise Mukoviszidose verursachen, so dass eine übermäßige Anzahl unterschiedlicher Gen -Bearbeitungsmedikamente erforderlich wäre, um sicherzustellen, dass jeder Patient behandelt werden kann. Stattdessen könnte so etwas wie Evokast eine einzelne Gentherapie ermöglichen, die ein vollständiges und gesundes Gen in das Genom des Patienten einfügt.

Es gibt noch mehr Arbeit, aber Evocast repräsentiert einen Meilenstein für die Entwicklung dieser Systeme, um ein vollständiges, gesundes Gen dauerhaft zu installieren, unabhängig vom zugrunde liegenden genetischen Defekt. „

Samuel Sternberg, Columbia University Vagelos College für Ärzte und Chirurgen

Das neue System könnte auch eine einfachere und genauere Genbearbeitung in anderen medizinischen und Forschungsanwendungen ermöglichen, einschließlich der Produktion von CAR-T-Zell-Therapien für die Krebsbehandlung sowie transgene Zelllinien und Modellorganismen, die für die biomedizinische Forschung erforderlich sind.

Der neue Redakteur entwickelte sich aus „springenden Genen“

Evocast basiert auf einem natürlichen System, das das Sternberg -Labor vor einigen Jahren in Bakterien entdeckt hat und es Genen ermöglicht, in neue Orte im Bakteriengenom zu springen. (Jumping Genes-auch als transposons-can bekannt, kommt einer Spezies zugute, indem genetische Vielfalt erzeugt wird).

Das Labor erkannte, dass mehrere Merkmale von Casts (CRISPR-assoziierte Transposasen) sie als potenzielle Genbearbeitungssysteme attraktiv machten. Ein Vorteil ist die Fähigkeit, große DNA -Stücke einzufügen, ohne das Chromosom in den Prozess zu brechen, was schwerwiegende, unbeabsichtigte Fehler verursachen kann. Ein weiteres ist die „Programmierbarkeit“ des Systems, die Einfügungen an einen beliebigen Ort im Genom leitet, der vom Forscher festgelegt wird.

Die Anpassung des Bakteriensystems für die Verwendung in menschlichen Zellen erwies sich als schwierig. Der Doktorand von Sternberg, George Lampe, entwickelte das System erfolgreich, um in menschlichen Zellen zu arbeiten, aber frühe Versionen der Technologie funktionierten mit geringer Effizienz.

Sternberg hatte die Schwierigkeit erwartet. „Gusssysteme existieren, um mobile Gene zu helfen, über die Skalen der Evolutionszeiten um das Genom zu springen. Sie sind nicht unter selektivem Druck, effizient zu handeln.

Die künstliche Evolution verbessert die Gen -Bearbeitung

Anstatt zu erraten, welche Veränderungen ihr System verbessern könnten, wandten sich Sternberg und Lampe an David Liu, einen molekularen Biologen und organischen Chemiker in Harvard und das Broad Institute, die eine Labortechnik, Tempo, die Entwicklung von Proteinen beschleunigt. Lampe schob die Leistung des Systems auf einen Punkt, der Tempo zu einer praktikablen Option machte, und Isaac Witte und Simon Eitzinger, zwei Doktoranden in Lius Labor, bewegten das System in Tempo, wodurch Hunderte von Evolutionsrunden mit minimalem Eingriff durchgeführt werden konnten.

„Die Evolution von Turbokapieren und Enzyme verbessert über das, was Forscher normalerweise mit gezielten, rational gestalteten Modifikationen durchführen können“, sagt Lampe. „Die durch Tempo erworbenen Mutationen haben die Leistung des gesamten Gusssystems erheblich verbessert.“

Nach Hunderten von evolutionären Generationen kann das neue Evokastsystem 30% bis 40% der Zellen bearbeiten, was einem enormen Anstieg gegenüber den niedrigeren Bearbeitungsraten des ursprünglichen Systems.

Nächste Schritte

Das Evokastsystem hat bereits Effizienz erzielt, die für einige Gene -Bearbeitungs- und Gentherapieanwendungen geeignet sind, und die Forscher möchten mit dem Testen ihres Systems in relevanteren Modellsystemen beginnen.

Gleichzeitig führt das Team weiterhin Verbesserungen vor, einschließlich Änderungen an anderen Evokastkomponenten, um die Bearbeitungseffizienz weiter zu verbessern.

Eine der größten Herausforderungen für Evokast und andere große DNA -Bearbeitungsinstrumente, die sich in der Entwicklung befinden, ist jedoch die Lieferung.

„Wie bringen wir diese Tools und ihre Nutzlasten tatsächlich in die Zellen oder Gewebe von Interesse?“ Sternberg sagt. „Das ist eine Herausforderung, mit der viele von uns auf dem Feld stehen.“

Weitere Informationen

Die Forschung erscheint in „programmierbarer Geninsertion in menschlichen Zellen mit einer von Labor ausgerichteten CRISPR-assoziierten Transposase“, die am 15. Mai in der Wissenschaft veröffentlicht wurde.

All authors: Isaac P. Witte (Broad Institute and Harvard), George D. Lampe (Columbia), Simon Eitzinger (Broad Institute and Harvard), Shannon M. Miller (Broad Institute and Harvard), Kiara N. Berríos (Broad Institute and Harvard), Amber N. McElroy (University of Minnesota), Rebeca T. King (Columbia), Olivia G. Stringham (Broad Institute und Harvard), Diego R. Gelsinger (Columbia), Phuc Leo H. Vo (Columbia), Albert T. Chen (Broad Institute und Harvard), Jakub Tolar (Universität von Minnesota), Mark J. Osborn (Universität von Minnesota), Samuel H. Sternberg (Columbia) und David R. Liu (Broading Institute und Harvard).

Samuel H. Sternberg, PhD, ist außerordentlicher Professor für Biochemie und molekulare Biophysik an der Columbia University. David R. Liu, PhD, ist der Richard Merkin-Professor und Direktor des Merkin-Instituts für transformative Technologien im Gesundheitswesen, stellvertretender Vorsitzender der Fakultät am Broad Institute of MIT und Harvard sowie des Thomas Dudley Cabot-Professors der Naturwissenschaften an der Harvard University. Beide sind Ermittler des Howard Hughes Medical Institute.

The research was supported through the NIH (grants 1F31HL167530, R01AR063070, DP2HG011650, R01EB027793, R01EB031172, R01EB027793, RM1HG009490, and R35GM118062), a US National Science Foundation Graduate Research Fellowship, a Pew Biomedizinisches Stipendium, ein Sloan Research Fellowship, ein Irma T. Hirschl Career Scientist Award, der Dean Office der Columbia University Irving Medical Center, ein Pilotstipendium von Vagelos Precision Medicine, und HHMI.

Die Autoren haben Patentanmeldungen im Zusammenhang mit dieser Arbeit eingereicht. David Liu ist Mitbegründer, Berater und/oder Aktieninhaber von Beam Therapeutics, Prime Medicine, paarweise Pflanzen, Chroma-Medizin, Resonanzmedizin, Exo-Therapeutika und NOV-Therapeutika. Samuel Sternberg ist Mitbegründer und wissenschaftlicher Berater von Dahlia Biosciences, einem wissenschaftlichen Berater von Crispits and Prime Medicine und einem Aktienhalter in Dahlia Biosciences und Crisprbits.

Quellen: