Il nuovo editor genetico Evocast consente l'inserimento preciso di geni completi

Il nuovo editor genetico Evocast consente l'inserimento preciso di geni completi

Se chiedessimo agli scienziati quale sia lo strumento di editing genetico più necessario per far avanzare la terapia genica, probabilmente descriverebbero un sistema che è quasi stato realizzato nei laboratori di Samuel Sternberg presso il Vagelos College of Physicians and Surgeons della Columbia University e di David Liu presso il Broad Institute del MIT e Harvard.

Il Gene Editor ha definito Evocast GoTs significativi nel risolvere un problema che ha confuso lo sviluppo delle terapie geniche sin dagli albori del campo: come aggiungere posizioni definite nel genoma umano senza produrre modifiche indesiderate.

L'ultima iterazione dell'editore, che utilizza enzimi complessi presenti nei batteri, può essere programmata per inserire un intero gene - o più geni - in una posizione specifica nel genoma umano con un'efficienza adatta alla terapia genica. I dettagli dell'editore sono descritti in un articolo pubblicato il 15 maggio aScienza.

La necessità di un editor genetico avanzato

CRISPR-Cas, virus e altri sistemi di editing hanno reso possibile lo sviluppo di decine di farmaci genetici per i pazienti, ma tutti i metodi attuali presentano degli inconvenienti. Alcuni metodi sono precisi ma apportano solo piccole correzioni. I virus, il metodo più comunemente utilizzato nella terapia genica, possono inserire interi geni ma lo fanno in modo casuale quando attivano le risposte immunitarie.

Uno strumento come Evokast potrebbe rendere la terapia genica più affidabile ed efficiente, in particolare per malattie come la fibrosi cistica e l’emofilia, che sono causate da una delle migliaia di mutazioni diverse.

Centinaia o migliaia di mutazioni diverse nel gene CFTR possono causare la fibrosi cistica, ad esempio, quindi sarebbe necessario un numero eccessivo di farmaci diversi per l’editing genetico per garantire che ogni paziente possa essere trattato. Invece, qualcosa come Evokast potrebbe consentire una terapia genica singola che inserisce un gene completo e sano nel genoma del paziente.

C’è ancora molto lavoro da fare, ma Evocast rappresenta una pietra miliare nello sviluppo di questi sistemi per installare in modo permanente un gene completo e sano, indipendentemente dal difetto genetico sottostante. “

Samuel Sternberg, Collegio di medici e chirurghi della Columbia University Vagelos

Il nuovo sistema potrebbe anche consentire un editing genetico più semplice e accurato in altre applicazioni mediche e di ricerca, inclusa la produzione di terapie con cellule T CAR per il trattamento del cancro, nonché linee cellulari transgeniche e organismi modello necessari per la ricerca biomedica.

Il nuovo editor sviluppato da “geni che saltano”

Evocast si basa su un sistema naturale che il laboratorio Sternberg ha scoperto nei batteri alcuni anni fa e che consente ai geni di spostarsi in nuove posizioni nel genoma batterico. (I geni saltatori, noti anche come trasposoni, possono apportare benefici a una specie generando diversità genetica).

Il laboratorio ha riconosciuto che diverse caratteristiche dei Casts (trasposasi associate a CRISPR) li rendevano attraenti come potenziali sistemi di editing genetico. Un vantaggio è la possibilità di inserire grandi pezzi di DNA senza rompere il cromosoma durante il processo, il che può causare errori gravi e involontari. Un altro è la “programmabilità” del sistema, che dirige gli inserimenti in qualsiasi posizione del genoma determinata dal ricercatore.

Adattare il sistema batterico per l'uso nelle cellule umane si è rivelato difficile. Lo studente laureato di Sternberg, George Lampe, sviluppò con successo il sistema affinché funzionasse nelle cellule umane, ma le prime versioni della tecnologia funzionavano con bassa efficienza.

Sternberg si era aspettato la difficoltà. "Esistono sistemi di casting per aiutare i geni mobili a saltare attraverso le scale dei tempi evolutivi attorno al genoma. Non sono sotto pressione selettiva per agire in modo efficiente.

L’evoluzione artificiale migliora l’editing genetico

Invece di indovinare quali cambiamenti potrebbero migliorare il loro sistema, Sternberg e Lampe si sono rivolti a David Liu, biologo molecolare e chimico organico ad Harvard e al Broad Institute, che ha sviluppato una tecnica di laboratorio che accelera lo sviluppo delle proteine. Lamp ha spinto le prestazioni del sistema a un punto tale da rendere Tempo un'opzione praticabile, e Isaac Witte e Simon Eitzinger, due studenti laureati nel laboratorio di Liu, hanno spostato il sistema su Tempo, consentendo di eseguire centinaia di cicli di evoluzione con un intervento minimo.

«L’evoluzione dei turbocapsori e degli enzimi migliora ben oltre ciò che i ricercatori possono normalmente fare con modifiche mirate e progettate in modo razionale», afferma Lampe. “Le mutazioni acquisite tramite Tempo hanno migliorato significativamente le prestazioni dell’intero sistema di fusione.”

Dopo centinaia di generazioni evolutive, il nuovo sistema Evokast può modificare dal 30% al 40% delle celle, un enorme aumento rispetto alle velocità di modifica inferiori del sistema originale.

Passaggi successivi

Il sistema Evokast ha già raggiunto efficienze adatte per alcune applicazioni di editing genetico e di terapia genica, e i ricercatori vorrebbero iniziare a testare il loro sistema in sistemi modello più rilevanti.

Allo stesso tempo, il team continua a introdurre miglioramenti, comprese modifiche ad altri componenti di Evokast, per migliorare ulteriormente l'efficienza dell'editing.

Tuttavia, una delle maggiori sfide per Evokast e altri grandi strumenti di editing del DNA in fase di sviluppo è la consegna.

“Come possiamo effettivamente introdurre questi strumenti e i loro carichi utili nelle cellule o nei tessuti di interesse?” Sternberg dice. “È una sfida che molti di noi affrontano sul campo”.

Maggiori informazioni

La ricerca appare in "Inserimento genico programmabile in cellule umane utilizzando una trasposasi associata a CRISPR mirata al laboratorio", pubblicato il 15 maggio su Science.

Tutti gli autori: Isaac P. Witte (Broad Institute e Harvard), George D. Lampe (Columbia), Simon Eitzinger (Broad Institute e Harvard), Shannon M. Miller (Broad Institute e Harvard), Kiara N. Berríos (Broad Institute e Harvard), Amber N. McElroy (Università del Minnesota), Rebeca T. King (Columbia), Olivia G. Stringham (Broad Institute e Harvard), Diego R. Gelsinger (Columbia), Phuc Leo H. Vo (Columbia), Albert T. Chen (Broad Institute e Harvard), Jakub Tolar (Università del Minnesota), Mark J. Osborn (Università del Minnesota), Samuel H. Sternberg (Columbia) e David R. Liu (Broading Institute e Harvard).

Samuel H. Sternberg, PhD, è professore associato di biochimica e biofisica molecolare alla Columbia University. David R. Liu, PhD, è professore Richard Merkin e direttore del Merkin Institute for Transformative Technologies in Health, vicepresidente di facoltà presso il Broad Institute del MIT e Harvard e professore di scienze Thomas Dudley Cabot presso l'Università di Harvard. Entrambi sono ricercatori presso l'Howard Hughes Medical Institute.

La ricerca è stata supportata dal NIH (borse 1F31HL167530, R01AR063070, DP2HG011650, R01EB027793, R01EB031172, R01EB027793, RM1HG009490 e R35GM118062), un'organizzazione di ricerca per laureati della National Science Foundation statunitense Borsa di studio, una borsa di studio Pew Biomedical Sciences, una borsa di studio Sloan Research, un premio Irma T. Hirschl come scienziato alla carriera, l'ufficio del preside dell'Irving Medical Center della Columbia University, una borsa di studio pilota di Vagelos Precision Medicine e HHMI.

Gli autori hanno depositato domande di brevetto relative a questo lavoro. David Liu è cofondatore, consulente e/o azionista di Beam Therapeutics, Prime Medicine, Paired Plants, Chroma Medicine, Resonance Medicine, Exo-Therapeutics e NOV Therapeutics. Samuel Sternberg è cofondatore e consulente scientifico di Dahlia Biosciences, consulente scientifico di Crispits e Prime Medicine e azionista di Dahlia Biosciences e Crisprbits.

Fonti: