Nový génový editor Evocast umožňuje presné vloženie kompletných génov

Nový génový editor Evocast umožňuje presné vloženie kompletných génov

Opýtajte sa vedcov, aký nástroj na úpravu génov je najviac potrebný na pokrok v génovej terapii, a pravdepodobne by opísali systém, ktorý je takmer realizovaný v laboratóriách Samuela Sternberga na Kolumbijskej univerzite Vagelos College of Physicians and Surgeons a Davida Liu na Broad Institute of MIT a Harvard.

Gene Editor nazval Evocast GoTs významnými pri riešení problému, ktorý už od počiatkov v tejto oblasti brzdil vývoj génových terapií: ako pridať definované miesta do ľudského genómu bez toho, aby došlo k nežiaducim modifikáciám.

Najnovšia iterácia editora, ktorá používala komplexné enzýmy nachádzajúce sa v baktériách, môže byť naprogramovaná tak, aby vložila celý gén - alebo viacero génov - do špecifického miesta v ľudskom genóme s účinnosťou vhodnou pre génovú terapiu. Podrobnosti o vydavateľovi sú popísané v článku publikovanom 15. májaVeda.

Potreba pokročilého génového editora

CRISPR-Cas, vírusy a iné editačné systémy umožnili desiatky genetických liekov, ktoré sa v súčasnosti vyvíjajú pre pacientov, ale všetky súčasné metódy majú nevýhody. Niektoré metódy sú presné, ale robia len malé opravy. Vírusy, najčastejšie používaná metóda v génovej terapii, môžu vložiť celé gény, ale robia to náhodne pri aktivácii imunitných reakcií.

Nástroj ako Evokast by mohol urobiť génovú terapiu spoľahlivejšou a efektívnejšou, najmä pri ochoreniach ako cystická fibróza a hemofília, ktoré sú spôsobené jednou z tisícok rôznych mutácií.

Stovky až tisíce rôznych mutácií v géne CFTR môžu spôsobiť napríklad cystickú fibrózu, takže na zabezpečenie liečby každého pacienta by bolo potrebné nadmerné množstvo rôznych liekov na úpravu génov. Namiesto toho by niečo ako Evokast mohlo umožniť jedinú génovú terapiu, ktorá vloží kompletný a zdravý gén do genómu pacienta.

Je potrebné urobiť ešte veľa práce, ale Evocast predstavuje míľnik vo vývoji týchto systémov na trvalú inštaláciu kompletného, ​​zdravého génu bez ohľadu na základný genetický defekt. “

Samuel Sternberg z Kolumbijskej univerzity Vagelos College of Physicians and Surgeons

Nový systém by tiež mohol umožniť jednoduchšiu a presnejšiu úpravu génov v iných lekárskych a výskumných aplikáciách, vrátane výroby terapií CAR T-buniek na liečbu rakoviny, ako aj transgénnych bunkových línií a modelových organizmov potrebných pre biomedicínsky výskum.

Nový editor vyvinutý z „skákacích génov“

Evocast je založený na prirodzenom systéme, ktorý Sternbergské laboratórium objavilo v baktériách pred niekoľkými rokmi a ktorý umožňuje génom preskočiť na nové miesta v bakteriálnom genóme. (Skákajúce gény - známe tiež ako transpozóny - môžu byť prospešné pre druh tým, že vytvárajú genetickú diverzitu).

Laboratórium uznalo, že niekoľko funkcií Casts (transpozázy spojené s CRISPR) ich urobilo atraktívnymi ako potenciálne systémy na úpravu génov. Jednou z výhod je schopnosť vložiť veľké kusy DNA bez toho, aby sa pri tom zlomil chromozóm, čo môže spôsobiť vážne, neúmyselné chyby. Ďalšou je „programovateľnosť“ systému, ktorý nasmeruje inzercie na akékoľvek miesto v genóme určené výskumníkom.

Ukázalo sa, že prispôsobenie bakteriálneho systému na použitie v ľudských bunkách je ťažké. Sternbergov postgraduálny študent George Lampe úspešne vyvinul systém na prácu v ľudských bunkách, ale skoré verzie technológie pracovali s nízkou účinnosťou.

Sternberg očakával ťažkosti. "Systémy odlievania existujú, aby pomohli mobilným génom preskočiť cez stupnice evolučných čias okolo genómu. Nie sú pod selektívnym tlakom, aby konali efektívne.

Umelá evolúcia zlepšuje úpravu génov

Namiesto hádania, aké zmeny by mohli zlepšiť ich systém, sa Sternberg a Lampe obrátili na Davida Liu, molekulárneho biológa a organického chemika z Harvardu a Broad Institute, ktorý vyvinul laboratórnu techniku, ktorá urýchľuje vývoj proteínov. Lamp posunul výkon systému do bodu, vďaka ktorému sa Tempo stalo životaschopnou možnosťou a Isaac Witte a Simon Eitzinger, dvaja postgraduálni študenti v laboratóriu Liu, presunuli systém do Tempo, čo umožnilo vykonať stovky kôl evolúcie s minimálnym zásahom.

"Evolúcia turbocaps a enzýmov sa zlepšuje nad rámec toho, čo môžu výskumníci bežne robiť s cielenými, racionálne navrhnutými úpravami," hovorí Lampe. "Mutácie získané prostredníctvom Tempo výrazne zlepšili výkon celého odlievacieho systému."

Po stovkách evolučných generácií dokáže nový systém Evokast upravovať 30 % až 40 % buniek, čo je obrovský nárast oproti nižším rýchlostiam úprav pôvodného systému.

Ďalšie kroky

Systém Evokast už dosiahol účinnosť vhodnú pre niektoré aplikácie na úpravu génov a génovú terapiu a výskumníci by chceli začať testovať svoj systém v relevantnejších modelových systémoch.

Zároveň tím pokračuje v zavádzaní vylepšení, vrátane zmien iných komponentov Evokast, aby sa ešte viac zlepšila efektivita úprav.

Jednou z najväčších výziev pre Evokast a ďalšie veľké nástroje na úpravu DNA vo vývoji je však dodávka.

"Ako vlastne dostaneme tieto nástroje a ich užitočné zaťaženie do buniek alebo tkanív, ktoré nás zaujímajú?" hovorí Sternberg. "Je to výzva, ktorej mnohí z nás čelia na ihrisku."

Viac informácií

Výskum sa objavuje v „Programovateľnej génovej inzercii do ľudských buniek pomocou laboratórne zacielenej transpozázy spojenej s CRISPR“, publikovanej 15. mája v Science.

Všetci autori: Isaac P. Witte (Široký inštitút a Harvard), George D. Lampe (Kolumbia), Simon Eitzinger (Široký inštitút a Harvard), Shannon M. Miller (Široký inštitút a Harvard), Kiara N. Berríos (Široký inštitút a Harvard), Amber N. McElroy (University of Tlumo King (University of Tlum King), Rebecca Olivia a Harvard), Diego R. Gelsinger (Kolumbia), Phuc Leo H. Vo (Kolumbia), Albert T. Chen (Široký inštitút a Harvard), Jakub Tolar (University of Minnesota), Mark J. Osborn (University of Minnesota), Samuel H. Sternberg (Columbia) a David R. Liu (Broading Institute a Harvard).

Samuel H. Sternberg, PhD, je docentom biochémie a molekulárnej biofyziky na Kolumbijskej univerzite. David R. Liu, PhD, je profesorom Richarda Merkina a riaditeľom Merkinovho inštitútu pre transformačné technológie v zdravotníctve, podpredsedom fakulty na Broad Institute of MIT a Harvard a profesorom vedy Thomasa Dudleyho Cabota na Harvardskej univerzite. Obaja sú vyšetrovateľmi v Howard Hughes Medical Institute.

Výskum bol podporovaný prostredníctvom NIH (granty 1F31HL167530, R01AR063070, DP2HG011650, R01EB027793, R01EB031172, R01EB027793, RM1HG009490 a US2HG009490 a US2HG006GM Foundation Fellowship, štipendium Pew Biomedical Sciences, Sloan Research Fellowship, Irma T. Hirschl Career Scientist Award, Irving Medical Center Dekanátu Kolumbijskej univerzity, pilotný grant od Vagelos Precision Medicine a HHMI.

Autori podali patentové prihlášky súvisiace s touto prácou. David Liu je spoluzakladateľom, poradcom a/alebo akcionárom Beam Therapeutics, Prime Medicine, Paired Plants, Chroma Medicine, Resonance Medicine, Exo-Therapeutics a NOV Therapeutics. Samuel Sternberg je spoluzakladateľom a vedeckým poradcom Dahlia Biosciences, vedeckým poradcom Crispits a Prime Medicine a akcionárom Dahlia Biosciences a Crisprbits.

Zdroje: