Ο νέος επεξεργαστής γονιδίων Evocast επιτρέπει την ακριβή εισαγωγή πλήρων γονιδίων

Ο νέος επεξεργαστής γονιδίων Evocast επιτρέπει την ακριβή εισαγωγή πλήρων γονιδίων

Ρωτήστε τους επιστήμονες ποιο εργαλείο γονιδιακής επεξεργασίας χρειάζεται περισσότερο για να προωθηθεί η γονιδιακή θεραπεία και πιθανότατα θα περιέγραφαν ένα σύστημα που σχεδόν υλοποιείται στα εργαστήρια του Samuel Sternberg στο Πανεπιστήμιο Columbia Vagelos College of Physicians and Surgeons και του David Liu στο Broad Institute of MIT και του Χάρβαρντ.

Ο Επεξεργαστής Γονιδίων αποκάλεσε τα Evocast GoTs σημαντικά για την επίλυση ενός προβλήματος που έχει μπερδέψει την ανάπτυξη γονιδιακών θεραπειών από τις πρώτες μέρες του πεδίου: πώς να προσθέσετε καθορισμένες τοποθεσίες στο ανθρώπινο γονιδίωμα χωρίς να δημιουργήσετε ανεπιθύμητες τροποποιήσεις.

Η τελευταία επανάληψη του συντάκτη, η οποία χρησιμοποίησε πολύπλοκα ένζυμα που βρίσκονται σε βακτήρια, μπορεί να προγραμματιστεί ώστε να εισάγει ένα ολόκληρο γονίδιο - ή πολλά γονίδια - σε μια συγκεκριμένη θέση στο ανθρώπινο γονιδίωμα με αποτελεσματικότητα κατάλληλη για γονιδιακή θεραπεία. Λεπτομέρειες για τον εκδότη περιγράφονται σε έγγραφο που δημοσιεύτηκε στις 15 ΜαΐουΕπιστήμη.

Η ανάγκη για έναν προηγμένο επεξεργαστή γονιδίων

Το CRISPR-Cas, οι ιοί και άλλα συστήματα επεξεργασίας έχουν κάνει εφικτά δεκάδες γενετικά φάρμακα που αναπτύσσονται τώρα για ασθενείς, αλλά όλες οι τρέχουσες μέθοδοι έχουν μειονεκτήματα. Ορισμένες μέθοδοι είναι ακριβείς αλλά κάνουν μόνο μικρές διορθώσεις. Οι ιοί, η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη μέθοδος στη γονιδιακή θεραπεία, μπορούν να εισάγουν ολόκληρα γονίδια, αλλά το κάνουν τυχαία όταν ενεργοποιούν τις ανοσολογικές αποκρίσεις.

Ένα εργαλείο όπως το Evokast θα μπορούσε να κάνει τη γονιδιακή θεραπεία πιο αξιόπιστη και αποτελεσματική, ιδιαίτερα για ασθένειες όπως η κυστική ίνωση και η αιμορροφιλία, που προκαλούνται από μία από τις χιλιάδες διαφορετικές μεταλλάξεις.

Εκατοντάδες έως χιλιάδες διαφορετικές μεταλλάξεις στο γονίδιο CFTR μπορούν να προκαλέσουν κυστική ίνωση, για παράδειγμα, οπότε θα απαιτηθεί υπερβολικός αριθμός διαφορετικών φαρμάκων γονιδιακής επεξεργασίας για να διασφαλιστεί ότι κάθε ασθενής μπορεί να θεραπευθεί. Αντίθετα, κάτι σαν το Evokast θα μπορούσε να επιτρέψει μια ενιαία γονιδιακή θεραπεία που εισάγει ένα πλήρες και υγιές γονίδιο στο γονιδίωμα του ασθενούς.

Υπάρχει περισσότερη δουλειά που πρέπει να γίνει, αλλά το Evocast αντιπροσωπεύει ένα ορόσημο στην ανάπτυξη αυτών των συστημάτων για μόνιμη εγκατάσταση ενός πλήρους, υγιούς γονιδίου, ανεξάρτητα από το υποκείμενο γενετικό ελάττωμα. "

Samuel Sternberg, Πανεπιστήμιο Columbia Vagelos College of Physicians and Surgeons

Το νέο σύστημα θα μπορούσε επίσης να επιτρέψει ευκολότερη και ακριβέστερη επεξεργασία γονιδίων σε άλλες ιατρικές και ερευνητικές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής θεραπειών με κύτταρα Τ CAR για θεραπεία καρκίνου, καθώς και διαγονιδιακών κυτταρικών σειρών και μοντέλων οργανισμών που απαιτούνται για βιοϊατρική έρευνα.

Ο νέος επεξεργαστής αναπτύχθηκε από τα «γονίδια που πηδούν»

Το Evocast βασίζεται σε ένα φυσικό σύστημα που ανακάλυψε το εργαστήριο Sternberg σε βακτήρια πριν από μερικά χρόνια και το οποίο επιτρέπει στα γονίδια να μεταπηδήσουν σε νέες θέσεις στο βακτηριακό γονιδίωμα. (Τα γονίδια άλματος-γνωστά και ως τρανσποζόνια- μπορούν να ωφελήσουν ένα είδος δημιουργώντας γενετική ποικιλότητα).

Το εργαστήριο αναγνώρισε ότι πολλά χαρακτηριστικά των Casts (transposases που σχετίζονται με το CRISPR) τα έκαναν ελκυστικά ως πιθανά συστήματα γονιδιακής επεξεργασίας. Ένα πλεονέκτημα είναι η δυνατότητα εισαγωγής μεγάλων κομματιών DNA χωρίς να σπάσει το χρωμόσωμα στη διαδικασία, κάτι που μπορεί να προκαλέσει σοβαρά, ακούσια σφάλματα. Ένα άλλο είναι η «προγραμματισμός» του συστήματος, το οποίο κατευθύνει τις εισαγωγές σε οποιαδήποτε θέση στο γονιδίωμα καθορίζεται από τον ερευνητή.

Η προσαρμογή του βακτηριακού συστήματος για χρήση σε ανθρώπινα κύτταρα αποδείχθηκε δύσκολη. Ο μεταπτυχιακός φοιτητής του Sternberg, George Lampe, ανέπτυξε με επιτυχία το σύστημα για να λειτουργεί σε ανθρώπινα κύτταρα, αλλά οι πρώτες εκδόσεις της τεχνολογίας λειτουργούσαν με χαμηλή απόδοση.

Ο Στέρνμπεργκ περίμενε τη δυσκολία. «Τα συστήματα χύτευσης υπάρχουν για να βοηθήσουν τα κινητά γονίδια να πηδούν στις κλίμακες των εξελικτικών χρόνων γύρω από το γονιδίωμα. Δεν βρίσκονται υπό επιλεκτική πίεση για να δράσουν αποτελεσματικά.

Η τεχνητή εξέλιξη βελτιώνει την επεξεργασία γονιδίων

Αντί να μαντέψουν ποιες αλλαγές θα μπορούσαν να βελτιώσουν το σύστημά τους, οι Sternberg και Lampe στράφηκαν στον David Liu, μοριακό βιολόγο και οργανικό χημικό στο Harvard και το Broad Institute, ο οποίος ανέπτυξε μια εργαστηριακή τεχνική που επιταχύνει την ανάπτυξη πρωτεϊνών. Ο Λαμπ ώθησε την απόδοση του συστήματος σε ένα σημείο που έκανε το Tempo βιώσιμη επιλογή και οι Isaac Witte και Simon Eitzinger, δύο μεταπτυχιακοί φοιτητές στο εργαστήριο του Liu, μετέφεραν το σύστημα στο Tempo, επιτρέποντας εκατοντάδες γύρους εξέλιξης να πραγματοποιηθούν με ελάχιστη παρέμβαση.

«Η εξέλιξη των turbocaps και των ενζύμων βελτιώνεται πέρα ​​από αυτό που μπορούν να κάνουν κανονικά οι ερευνητές με στοχευμένες, ορθολογικά σχεδιασμένες τροποποιήσεις», λέει ο Lampe. «Οι μεταλλάξεις που αποκτήθηκαν μέσω του Tempo έχουν βελτιώσει σημαντικά την απόδοση ολόκληρου του συστήματος χύτευσης».

Μετά από εκατοντάδες εξελικτικές γενιές, το νέο σύστημα Evokast μπορεί να επεξεργαστεί το 30% έως το 40% των κελιών, μια τεράστια αύξηση σε σχέση με τα χαμηλότερα ποσοστά επεξεργασίας του αρχικού συστήματος.

Επόμενα Βήματα

Το σύστημα Evokast έχει ήδη επιτύχει αποτελεσματικότητες κατάλληλες για ορισμένες εφαρμογές γονιδιακής επεξεργασίας και γονιδιακής θεραπείας και οι ερευνητές θα ήθελαν να ξεκινήσουν τη δοκιμή του συστήματός τους σε πιο σχετικά συστήματα μοντέλων.

Ταυτόχρονα, η ομάδα συνεχίζει να εισάγει βελτιώσεις, συμπεριλαμβανομένων αλλαγών σε άλλα στοιχεία του Evokast, για να βελτιώσει περαιτέρω την αποτελεσματικότητα της επεξεργασίας.

Ωστόσο, μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις για το Evokast και άλλα μεγάλα εργαλεία επεξεργασίας DNA στην ανάπτυξη είναι η παράδοση.

«Πώς μπορούμε πραγματικά να μεταφέρουμε αυτά τα εργαλεία και τα ωφέλιμα φορτία τους στα κύτταρα ή τους ιστούς που μας ενδιαφέρουν;» λέει ο Sternberg. «Είναι μια πρόκληση που αντιμετωπίζουμε πολλοί από εμάς στο γήπεδο».

Περισσότερες πληροφορίες

Η έρευνα εμφανίζεται στο "Προγραμματιζόμενη εισαγωγή γονιδίου σε ανθρώπινα κύτταρα χρησιμοποιώντας μια εργαστηριακή στοχευμένη τρανσποζάση που σχετίζεται με το CRISPR", που δημοσιεύτηκε στις 15 Μαΐου στο Science.

Όλοι οι συγγραφείς: Isaac P. Witte (Broad Institute και Harvard), George D. Lampe (Columbia), Simon Eitzinger (Broad Institute και Harvard), Shannon M. Miller (Broad Institute και Harvard), Kiara N. Berríos (Broad Institute και Harvard), Amber N. McElroyia (University) G. Stringham (Broad Institute και Harvard), Diego R. Gelsinger (Columbia), Phuc Leo H. Vo (Columbia), Albert T. Chen (Broad Institute and Harvard), Jakub Tolar (University of Minnesota), Mark J. Osborn (University of Minnesota), Samuel H. Sternberg (Institute Li. andBHarvard) και Davidgrod.

Ο Samuel H. Sternberg, PhD, είναι αναπληρωτής καθηγητής βιοχημείας και μοριακής βιοφυσικής στο Πανεπιστήμιο Columbia. Ο David R. Liu, PhD, είναι καθηγητής Richard Merkin και διευθυντής του Merkin Institute for Transformative Technologies in Health, Αντιπρόεδρος Σχολής στο Broad Institute of MIT και Harvard, και Thomas Dudley Cabot Καθηγητής Επιστήμης στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. Και οι δύο είναι ερευνητές στο Ιατρικό Ινστιτούτο Howard Hughes.

Η έρευνα υποστηρίχθηκε μέσω του NIH (επιχορηγήσεις 1F31HL167530, R01AR063070, DP2HG011650, R01EB027793, R01EB031172, R01EB027793, RM1HG0183062 National Science Foundation), Graduate Research Fellowship, Pew Biomedical Sciences fellowship, Sloan Research Fellowship, Irma T. Hirschl Career Scientist Award, Dean's Office of Columbia University Irving Medical Center, πιλοτική υποτροφία από την Vagelos Precision Medicine και το HHMI.

Οι συγγραφείς έχουν υποβάλει αιτήσεις για διπλώματα ευρεσιτεχνίας που σχετίζονται με αυτό το έργο. Ο David Liu είναι συνιδρυτής, σύμβουλος και/ή μέτοχος των Beam Therapeutics, Prime Medicine, Paired Plants, Chroma Medicine, Resonance Medicine, Exo-Therapeutics και NOV Therapeutics. Ο Samuel Sternberg είναι συνιδρυτής και επιστημονικός σύμβουλος της Dahlia Biosciences, επιστημονικός σύμβουλος της Crispits και της Prime Medicine και μέτοχος της Dahlia Biosciences and Crisprbits.

Πηγές: