De nieuwe geneditor Evocast maakt het nauwkeurig inbrengen van volledige genen mogelijk

De nieuwe geneditor Evocast maakt het nauwkeurig inbrengen van volledige genen mogelijk

Vraag wetenschappers welk hulpmiddel voor genbewerking het meest nodig is om gentherapie vooruit te helpen, en ze zullen waarschijnlijk een systeem beschrijven dat bijna gerealiseerd is in de laboratoria van Samuel Sternberg van het Columbia University Vagelos College of Physicians and Surgeons en David Liu van het Broad Institute of MIT en Harvard.

De Gene Editor noemt Evocast GoTs belangrijk bij het oplossen van een probleem dat de ontwikkeling van gentherapieën sinds de begindagen van het veld in de war heeft gebracht: hoe gedefinieerde locaties in het menselijk genoom kunnen worden toegevoegd zonder ongewenste wijzigingen te veroorzaken.

De nieuwste versie van de redacteur, die gebruik maakte van complexe enzymen die in bacteriën worden aangetroffen, kan worden geprogrammeerd om een ​​heel gen – of meerdere genen – in een specifieke locatie in het menselijk genoom in te voegen met een efficiëntie die geschikt is voor gentherapie. Details van de uitgever worden beschreven in een artikel dat op 15 mei is gepubliceerdWetenschap.

De behoefte aan een geavanceerde geneditor

CRISPR-Cas, virussen en andere bewerkingssystemen hebben tientallen genetische medicijnen mogelijk gemaakt die nu voor patiënten worden ontwikkeld, maar alle huidige methoden hebben nadelen. Sommige methoden zijn nauwkeurig, maar maken slechts kleine correcties. Virussen, de meest gebruikte methode bij gentherapie, kunnen hele genen inbrengen, maar doen dit willekeurig bij het activeren van immuunreacties.

Een hulpmiddel als Evokast zou gentherapie betrouwbaarder en efficiënter kunnen maken, vooral voor ziekten als cystische fibrose en hemofilie, die worden veroorzaakt door een van de duizenden verschillende mutaties.

Honderden tot duizenden verschillende mutaties in het CFTR-gen kunnen bijvoorbeeld cystische fibrose veroorzaken, dus er zou een buitensporig aantal verschillende geneesmiddelen voor genbewerking nodig zijn om ervoor te zorgen dat elke patiënt kan worden behandeld. In plaats daarvan zou zoiets als Evokast een enkele gentherapie mogelijk kunnen maken die een compleet en gezond gen in het genoom van de patiënt inbrengt.

Er is nog meer werk aan de winkel, maar Evocast vertegenwoordigt een mijlpaal in de ontwikkeling van deze systemen om permanent een compleet, gezond gen te installeren, ongeacht het onderliggende genetische defect. “

Samuel Sternberg, Columbia University Vagelos College van artsen en chirurgen

Het nieuwe systeem zou ook gemakkelijker en nauwkeuriger genbewerking mogelijk kunnen maken in andere medische en onderzoekstoepassingen, waaronder de productie van CAR T-celtherapieën voor de behandeling van kanker, evenals transgene cellijnen en modelorganismen die nodig zijn voor biomedisch onderzoek.

De nieuwe editor ontwikkeld vanuit ‘springende genen’

Evocast is gebaseerd op een natuurlijk systeem dat het Sternberg-lab een paar jaar geleden in bacteriën ontdekte en waarmee genen naar nieuwe locaties in het bacteriële genoom kunnen springen. (Springgenen, ook bekend als transposons, kunnen een soort ten goede komen door genetische diversiteit te genereren).

Het laboratorium erkende dat verschillende kenmerken van Casts (CRISPR-geassocieerde transposases) ze aantrekkelijk maakten als potentiële genbewerkingssystemen. Eén voordeel is de mogelijkheid om grote stukken DNA in te brengen zonder daarbij het chromosoom te breken, wat ernstige, onbedoelde fouten kan veroorzaken. Een andere is de ‘programmeerbaarheid’ van het systeem, dat inserties naar elke door de onderzoeker bepaalde locatie in het genoom stuurt.

Het aanpassen van het bacteriële systeem voor gebruik in menselijke cellen bleek moeilijk. Sternbergs afgestudeerde student, George Lampe, ontwikkelde het systeem met succes om in menselijke cellen te werken, maar vroege versies van de technologie werkten met een lage efficiëntie.

Sternberg had de moeilijkheid verwacht. ‘Casting-systemen bestaan ​​om mobiele genen te helpen over de schalen van evolutionaire tijden rond het genoom te springen. Ze staan ​​niet onder selectieve druk om efficiënt te handelen.

Kunstmatige evolutie verbetert het bewerken van genen

In plaats van te raden welke veranderingen hun systeem zouden kunnen verbeteren, wendden Sternberg en Lampe zich tot David Liu, een moleculair bioloog en organisch chemicus aan Harvard en het Broad Institute, die een laboratoriumtechniek ontwikkelde die de ontwikkeling van eiwitten versnelt. Lamp zorgde ervoor dat het systeem zo goed presteerde dat Tempo een haalbare optie werd, en Isaac Witte en Simon Eitzinger, twee afgestudeerde studenten in het laboratorium van Liu, verplaatsten het systeem naar Tempo, waardoor honderden evolutieronden konden worden uitgevoerd met minimale tussenkomst.

“De evolutie van turbocaps en enzymen verbetert verder dan wat onderzoekers normaal gesproken kunnen doen met gerichte, rationeel ontworpen aanpassingen”, zegt Lampe. “De via Tempo verkregen mutaties hebben de prestaties van het gehele gietsysteem aanzienlijk verbeterd.”

Na honderden evolutionaire generaties kan het nieuwe Evokast-systeem 30% tot 40% van de cellen bewerken, een enorme stijging ten opzichte van de lagere bewerkingspercentages van het oorspronkelijke systeem.

Volgende stappen

Het Evokast-systeem heeft al efficiëntieverbeteringen bereikt die geschikt zijn voor sommige genbewerkings- en gentherapietoepassingen, en onderzoekers zouden graag beginnen met het testen van hun systeem in relevantere modelsystemen.

Tegelijkertijd blijft het team verbeteringen introduceren, waaronder wijzigingen in andere Evokast-componenten, om de bewerkingsefficiëntie verder te verbeteren.

Een van de grootste uitdagingen voor Evokast en andere grote DNA-bewerkingstools in ontwikkeling is echter de levering.

"Hoe krijgen we deze hulpmiddelen en hun lading daadwerkelijk in de cellen of weefsels van belang?" zegt Sternberg. “Het is een uitdaging waar velen van ons op het veld mee te maken hebben.”

Meer informatie

Het onderzoek verschijnt in "Programmeerbare geninsertie in menselijke cellen met behulp van een laboratoriumgerichte CRISPR-geassocieerde transposase", gepubliceerd op 15 mei in Science.

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

Samuel H. Sternberg, PhD, is universitair hoofddocent biochemie en moleculaire biofysica aan Columbia University. David R. Liu, PhD, is de Richard Merkin-professor en directeur van het Merkin Institute for Transformative Technologies in Health, faculteitsvicevoorzitter van het Broad Institute of MIT en Harvard, en de Thomas Dudley Cabot Professor of Science aan de Harvard University. Beiden zijn onderzoekers bij het Howard Hughes Medical Institute.

Het onderzoek werd ondersteund door de NIH (subsidies 1F31HL167530, R01AR063070, DP2HG011650, R01EB027793, R01EB031172, R01EB027793, RM1HG009490 en R35GM118062), een Amerikaanse National Science Foundation Graduate Research Fellowship, een Pew Biomedical Sciences fellowship, een Sloan Research Fellowship, een Irma T. Hirschl Career Scientist Award, het Dean's Office van Columbia University Irving Medical Center, een pilot-subsidie van Vagelos Precision Medicine en HHMI.

De auteurs hebben patentaanvragen ingediend met betrekking tot dit werk. David Liu is medeoprichter, adviseur en/of aandeelhouder van Beam Therapeutics, Prime Medicine, Paired Plants, Chroma Medicine, Resonance Medicine, Exo-Therapeutics en NOV Therapeutics. Samuel Sternberg is medeoprichter en wetenschappelijk adviseur van Dahlia Biosciences, wetenschappelijk adviseur van Crispits en Prime Medicine, en aandeelhouder van Dahlia Biosciences en Crisprbits.

Bronnen: