O novo editor de genes Evocast permite a inserção precisa de genes completos

O novo editor de genes Evocast permite a inserção precisa de genes completos

Pergunte aos cientistas qual ferramenta de edição genética é mais necessária para avançar a terapia genética, e eles provavelmente descreveriam um sistema que é quase realizado nos laboratórios de Samuel Sternberg, na Faculdade de Médicos e Cirurgiões Vagelos da Universidade de Columbia, e David Liu, no Broad Institute do MIT e Harvard.

O Gene Editor considerou o Evocast GoTs significativo na solução de um problema que tem confundido o desenvolvimento de terapias genéticas desde os primórdios da área: como adicionar locais definidos no genoma humano sem produzir modificações indesejadas.

A última iteração do editor, que utilizou enzimas complexas encontradas em bactérias, pode ser programada para inserir um gene inteiro – ou múltiplos genes – em um local específico do genoma humano com uma eficiência adequada para terapia genética. Os detalhes da editora estão descritos em um artigo publicado em 15 de maio emCiência.

A necessidade de um editor genético avançado

CRISPR-Cas, vírus e outros sistemas de edição tornaram possíveis dezenas de medicamentos genéticos que estão sendo desenvolvidos para pacientes, mas todos os métodos atuais têm desvantagens. Alguns métodos são precisos, mas fazem apenas pequenas correções. Os vírus, o método mais comumente utilizado na terapia genética, podem inserir genes inteiros, mas o fazem aleatoriamente ao ativar respostas imunológicas.

Uma ferramenta como o Evokast poderia tornar a terapia genética mais confiável e eficiente, especialmente para doenças como a fibrose cística e a hemofilia, que são causadas por uma entre milhares de mutações diferentes.

Centenas a milhares de mutações diferentes no gene CFTR podem causar fibrose cística, por exemplo, pelo que seria necessário um número excessivo de diferentes medicamentos de edição genética para garantir que todos os pacientes possam ser tratados. Em vez disso, algo como o Evokast poderia permitir uma terapia genética única que insere um gene completo e saudável no genoma do paciente.

Há mais trabalho a ser feito, mas o Evocast representa um marco no desenvolvimento destes sistemas para instalar permanentemente um gene completo e saudável, independentemente do defeito genético subjacente. “

Samuel Sternberg, Faculdade de Médicos e Cirurgiões Vagelos da Universidade de Columbia

O novo sistema também poderá permitir a edição genética mais fácil e precisa noutras aplicações médicas e de investigação, incluindo a produção de terapias com células T CAR para o tratamento do cancro, bem como linhas celulares transgénicas e organismos modelo necessários para a investigação biomédica.

O novo editor desenvolvido a partir de “genes saltadores”

O Evocast é baseado em um sistema natural que o laboratório Sternberg descobriu em bactérias há alguns anos, que permite que os genes saltem para novos locais no genoma bacteriano. (Genes saltadores – também conhecidos como transposons – podem beneficiar uma espécie ao gerar diversidade genética).

O laboratório reconheceu que vários recursos dos Casts (transposases associadas ao CRISPR) os tornavam atraentes como potenciais sistemas de edição de genes. Uma vantagem é a capacidade de inserir grandes pedaços de DNA sem quebrar o cromossomo no processo, o que pode causar erros graves e não intencionais. Outra é a “programabilidade” do sistema, que direciona as inserções para qualquer local do genoma determinado pelo pesquisador.

Adaptar o sistema bacteriano para uso em células humanas revelou-se difícil. O aluno de pós-graduação de Sternberg, George Lampe, desenvolveu com sucesso o sistema para funcionar em células humanas, mas as primeiras versões da tecnologia funcionavam com baixa eficiência.

Sternberg esperava a dificuldade. "Os sistemas de fundição existem para ajudar os genes móveis a saltar através das escalas dos tempos evolutivos em torno do genoma. Eles não estão sob pressão seletiva para agir de forma eficiente.

A evolução artificial melhora a edição genética

Em vez de adivinhar que mudanças poderiam melhorar o seu sistema, Sternberg e Lampe recorreram a David Liu, biólogo molecular e químico orgânico de Harvard e do Broad Institute, que desenvolveu uma técnica laboratorial que acelera o desenvolvimento de proteínas. Lamp elevou o desempenho do sistema a um ponto que tornou o Tempo uma opção viável, e Isaac Witte e Simon Eitzinger, dois estudantes de pós-graduação no laboratório de Liu, mudaram o sistema para o Tempo, permitindo que centenas de rodadas de evolução fossem realizadas com intervenção mínima.

“A evolução dos turbocaps e das enzimas melhora além do que os pesquisadores normalmente conseguem fazer com modificações direcionadas e racionalmente projetadas”, diz Lampe. “As mutações adquiridas através do Tempo melhoraram significativamente o desempenho de todo o sistema de lançamento.”

Após centenas de gerações evolutivas, o novo sistema Evokast pode editar de 30% a 40% das células, um enorme aumento em relação às taxas de edição mais baixas do sistema original.

Próximas etapas

O sistema Evokast já alcançou eficiências adequadas para algumas aplicações de edição genética e terapia genética, e os pesquisadores gostariam de começar a testar seu sistema em sistemas modelo mais relevantes.

Ao mesmo tempo, a equipe continua a introduzir melhorias, incluindo alterações em outros componentes do Evokast, para melhorar ainda mais a eficiência da edição.

No entanto, um dos maiores desafios do Evokast e de outras grandes ferramentas de edição de DNA em desenvolvimento é a entrega.

“Como podemos realmente colocar essas ferramentas e suas cargas nas células ou tecidos de interesse?” Sternberg diz. “É um desafio que muitos de nós enfrentamos em campo.”

Mais informações

A pesquisa aparece em “Inserção genética programável em células humanas usando uma transposase associada a CRISPR direcionada a laboratório”, publicada em 15 de maio na Science.

Todos os autores: 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 (Universidade de 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 (Universidade de Minnesota), Mark J. Osborn (Universidade de Minnesota), Samuel H. Sternberg (Columbia) e David R. Liu (Broading Institute e Harvard).

Samuel H. Sternberg, PhD, é professor associado de bioquímica e biofísica molecular na Universidade de Columbia. David R. Liu, PhD, é professor Richard Merkin e diretor do Merkin Institute for Transformative Technologies in Health, vice-presidente do corpo docente do Broad Institute do MIT e Harvard, e professor de ciências Thomas Dudley Cabot na Universidade de Harvard. Ambos são investigadores do Howard Hughes Medical Institute.

A pesquisa foi apoiada pelo NIH (concessões 1F31HL167530, R01AR063070, DP2HG011650, R01EB027793, R01EB031172, R01EB027793, RM1HG009490 e R35GM118062), uma bolsa de pesquisa de pós-graduação da US National Science Foundation, uma bolsa Pew Biomedical Sciences, uma bolsa Sloan Research Fellowship, um prêmio Irma T. Hirschl Career Scientist, o Dean's Office do Columbia University Irving Medical Center, uma bolsa piloto da Vagelos Precision Medicine e HHMI.

Os autores depositaram pedidos de patente relacionados a este trabalho. David Liu é cofundador, consultor e/ou acionista da Beam Therapeutics, Prime Medicine, Paired Plants, Chroma Medicine, Resonance Medicine, Exo-Therapeutics e NOV Therapeutics. Samuel Sternberg é cofundador e consultor científico da Dahlia Biosciences, consultor científico da Crispits e Prime Medicine e acionista da Dahlia Biosciences e Crisprbits.

Fontes: