Den nye gen-editor Evocast muliggør præcis indsættelse af komplette gener

Den nye gen-editor Evocast muliggør præcis indsættelse af komplette gener

Spørg videnskabsmænd, hvilket genredigeringsværktøj der er mest nødvendigt for at fremme genterapi, og de vil sandsynligvis beskrive et system, der næsten er realiseret i laboratorierne af Samuel Sternberg ved Columbia University Vagelos College of Physicians and Surgeons og David Liu ved Broad Institute of MIT og Harvard.

Genredaktøren har kaldt Evocast GoTs væsentlige i løsningen af ​​et problem, der har forvirret udviklingen af ​​genterapier siden feltets tidlige dage: hvordan man tilføjer definerede steder i det menneskelige genom uden at producere uønskede modifikationer.

Redaktørens seneste iteration, som brugte komplekse enzymer fundet i bakterier, kan programmeres til at indsætte et helt gen – eller flere gener – på et bestemt sted i det menneskelige genom med en effektivitet, der er egnet til genterapi. Detaljer om udgiveren er beskrevet i et papir udgivet 15. maj iVidenskab.

Behovet for en avanceret gen-editor

CRISPR-Cas, vira og andre redigeringssystemer har muliggjort snesevis af genetisk medicin, der nu udvikles til patienter, men alle nuværende metoder har ulemper. Nogle metoder er præcise, men foretager kun små rettelser. Virus, den mest almindeligt anvendte metode i genterapi, kan indsætte hele gener, men gør det tilfældigt, når immunreaktioner aktiveres.

Et værktøj som Evokast kunne gøre genterapi mere pålidelig og effektiv, især for sygdomme som cystisk fibrose og hæmofili, som er forårsaget af en af ​​tusindvis af forskellige mutationer.

Hundred- til tusindvis af forskellige mutationer i CFTR-genet kan forårsage cystisk fibrose, for eksempel, så et stort antal forskellige genredigerende lægemidler ville være påkrævet for at sikre, at hver patient kan behandles. I stedet kunne noget som Evokast muliggøre en enkelt genterapi, der indsætter et komplet og sundt gen i patientens genom.

Der er mere arbejde at gøre, men Evocast repræsenterer en milepæl i udviklingen af ​​disse systemer til permanent at installere et komplet, sundt gen, uanset den underliggende genetiske defekt. “

Samuel Sternberg, Columbia University Vagelos College of Physicians and Surgeons

Det nye system kunne også muliggøre lettere og mere nøjagtig genredigering i andre medicinske og forskningsmæssige applikationer, herunder produktion af CAR T-celleterapier til kræftbehandling, såvel som transgene cellelinjer og modelorganismer, der kræves til biomedicinsk forskning.

Den nye editor udviklede sig fra "hoppende gener"

Evocast er baseret på et naturligt system, som Sternberg-laboratoriet opdagede i bakterier for nogle år siden, og som gør det muligt for gener at springe til nye steder i bakteriegenomet. (Hoppegener - også kendt som transposoner - kan gavne en art ved at generere genetisk diversitet).

Laboratoriet erkendte, at adskillige funktioner i Casts (CRISPR-associerede transposaser) gjorde dem attraktive som potentielle genredigeringssystemer. En fordel er muligheden for at indsætte store stykker DNA uden at bryde kromosomet i processen, hvilket kan forårsage alvorlige, utilsigtede fejl. En anden er "programmerbarheden" af systemet, som dirigerer indsættelser til et hvilket som helst sted i genomet bestemt af forskeren.

Det viste sig vanskeligt at tilpasse bakteriesystemet til brug i humane celler. Sternbergs kandidatstuderende, George Lampe, udviklede med succes systemet til at fungere i menneskelige celler, men tidlige versioner af teknologien fungerede med lav effektivitet.

Sternberg havde forventet vanskeligheden. "Casting-systemer eksisterer for at hjælpe mobile gener med at springe på tværs af evolutionære tiders skalaer omkring genomet. De er ikke under selektivt pres for at handle effektivt.

Kunstig evolution forbedrer genredigering

I stedet for at gætte på, hvilke ændringer der kunne forbedre deres system, henvendte Sternberg og Lampe sig til David Liu, en molekylærbiolog og organisk kemiker ved Harvard og Broad Institute, som udviklede en laboratorieteknik, der fremskynder udviklingen af ​​proteiner. Lamp skubbede systemets ydeevne til et punkt, der gjorde Tempo til en levedygtig mulighed, og Isaac Witte og Simon Eitzinger, to kandidatstuderende i Lius laboratorium, flyttede systemet til Tempo, hvilket gjorde det muligt at udføre hundredvis af evolutionsrunder med minimal indgriben.

"Udviklingen af ​​turbocaps og enzymer forbedres ud over, hvad forskere normalt kan gøre med målrettede, rationelt designede modifikationer," siger Lampe. "Mutationerne erhvervet gennem Tempo har væsentligt forbedret ydeevnen af ​​hele støbesystemet."

Efter hundredvis af evolutionære generationer kan det nye Evokast-system redigere 30% til 40% af cellerne, en enorm stigning i forhold til de lavere redigeringshastigheder i det originale system.

Næste trin

Evokast-systemet har allerede opnået effektiviteter, der egner sig til nogle genredigerings- og genterapiapplikationer, og forskere vil gerne begynde at teste deres system i mere relevante modelsystemer.

Samtidig fortsætter teamet med at indføre forbedringer, herunder ændringer til andre Evokast-komponenter, for yderligere at forbedre redigeringseffektiviteten.

En af de største udfordringer for Evokast og andre store DNA-redigeringsværktøjer under udvikling er levering.

"Hvordan får vi faktisk disse værktøjer og deres nyttelast ind i cellerne eller vævene af interesse?" siger Sternberg. "Det er en udfordring, som mange af os står over for på banen."

Mere information

Forskningen vises i "Programmerbar genindsættelse i humane celler ved hjælp af en lab-målrettet CRISPR-associeret transposase," offentliggjort 15. maj i Science.

Alle forfattere: Isaac P. Witte (Broad Institute og Harvard), George D. Lampe (Columbia), Simon Eitzinger (Broad Institute og Harvard), Shannon M. Miller (Broad Institute og Harvard), Kiara N. Berríos (Broad Institute og Harvard), Amber N. McElroy (University of Ol King og Minnesota), Rebeca Str. Harvard), Diego R. Gelsinger (Columbia), Phuc Leo H. Vo (Columbia), Albert T. Chen (Broad Institute og Harvard), Jakub Tolar (University of Minnesota), Mark J. Osborn (University of Minnesota), Samuel H. Sternberg (Columbia) og David R. Liu (Broading Institute og Harvard).

Samuel H. Sternberg, PhD, er lektor i biokemi og molekylær biofysik ved Columbia University. David R. Liu, PhD, er Richard Merkin-professor og direktør for Merkin Institute for Transformative Technologies in Health, Faculty Vice Chair ved Broad Institute of MIT og Harvard, og Thomas Dudley Cabot Professor of Science ved Harvard University. Begge er efterforskere ved Howard Hughes Medical Institute.

Forskningen blev støttet gennem NIH (tilskud 1F31HL167530, R01AR063070, DP2HG011650, R01EB027793, R01EB031172, R01EB027793, RM1HG0096521, og R38u National Science Foundation) og R38u National Research Foundation Fellowship, et Pew Biomedical Sciences-stipendium, et Sloan Research Fellowship, en Irma T. Hirschl Career Scientist Award, dekankontoret for Columbia University Irving Medical Center, et pilotstipendium fra Vagelos Precision Medicine og HHMI.

Forfatterne har indgivet patentansøgninger relateret til dette værk. David Liu er medstifter, rådgiver og/eller aktionær i Beam Therapeutics, Prime Medicine, Paired Plants, Chroma Medicine, Resonance Medicine, Exo-Therapeutics og NOV Therapeutics. Samuel Sternberg er medstifter og videnskabelig rådgiver for Dahlia Biosciences, videnskabelig rådgiver for Crispits og Prime Medicine og aktionær i Dahlia Biosciences og Crisprbits.

Kilder: