Nov urejevalnik genov Evocast omogoča natančno vstavljanje celih genov

Nov urejevalnik genov Evocast omogoča natančno vstavljanje celih genov

Vprašajte znanstvenike, katero orodje za urejanje genov je najbolj potrebno za napredek genske terapije, in verjetno bi opisali sistem, ki je skoraj realiziran v laboratorijih Samuela Sternberga na Columbia University Vagelos College of Physicians and Surgeons in Davida Liuja na Broad Institute of MIT in Harvard.

Gene Editor je Evocast GoTs označil za pomembne pri reševanju problema, ki je zmedel razvoj genskih terapij od zgodnjih dni področja: kako dodati definirane lokacije v človeškem genomu, ne da bi povzročili neželene spremembe.

Najnovejšo iteracijo urednika, ki je uporabljala kompleksne encime, ki jih najdemo v bakterijah, je mogoče programirati za vstavitev celotnega gena - ali več genov - na določeno mesto v človeškem genomu z učinkovitostjo, primerno za gensko terapijo. Podrobnosti o založniku so opisane v članku, objavljenem 15. maja vZnanost.

Potreba po naprednem urejevalniku genov

CRISPR-Cas, virusi in drugi sistemi za urejanje so omogočili na desetine genetskih zdravil, ki se zdaj razvijajo za bolnike, vendar imajo vse trenutne metode pomanjkljivosti. Nekatere metode so natančne, vendar naredijo le majhne popravke. Virusi, najpogosteje uporabljena metoda v genski terapiji, lahko vstavijo celotne gene, vendar to počnejo naključno, ko aktivirajo imunski odziv.

Orodje, kot je Evokast, bi lahko naredilo gensko terapijo bolj zanesljivo in učinkovito, zlasti za bolezni, kot sta cistična fibroza in hemofilija, ki jih povzroča ena od tisočih različnih mutacij.

Na stotine do tisoče različnih mutacij v genu CFTR lahko na primer povzroči cistično fibrozo, zato bi bilo za zagotovitev zdravljenja vsakega bolnika potrebno preveliko število različnih zdravil za urejanje genov. Namesto tega bi nekaj, kot je Evokast, lahko omogočilo eno samo gensko terapijo, ki v pacientov genom vstavi popoln in zdrav gen.

Opraviti je treba še več dela, vendar Evocast predstavlja mejnik v razvoju teh sistemov za trajno namestitev popolnega, zdravega gena, ne glede na osnovno genetsko napako. “

Samuel Sternberg, Columbia University Vagelos College of Physicians and Surgeons

Novi sistem bi lahko omogočil tudi lažje in natančnejše urejanje genov v drugih medicinskih in raziskovalnih aplikacijah, vključno s proizvodnjo terapij T-celic CAR za zdravljenje raka, pa tudi transgenih celičnih linij in modelnih organizmov, potrebnih za biomedicinske raziskave.

Novi urejevalnik se je razvil iz "skakajočih genov"

Evocast temelji na naravnem sistemu, ki ga je laboratorij Sternberg odkril v bakterijah pred nekaj leti in omogoča genom, da skočijo na nove lokacije v bakterijskem genomu. (Skačuči geni – znani tudi kot transpozoni – lahko koristijo vrsti z ustvarjanjem genske raznolikosti).

Laboratorij je ugotovil, da je več funkcij Casts (transpozaze, povezane s CRISPR) naredilo privlačne kot potencialne sisteme za urejanje genov. Ena od prednosti je zmožnost vstavitve velikih kosov DNK, ne da bi pri tem zlomili kromosom, kar lahko povzroči resne, nenamerne napake. Druga je "programabilnost" sistema, ki usmerja vstavke na katero koli lokacijo v genomu, ki jo določi raziskovalec.

Prilagoditev bakterijskega sistema za uporabo v človeških celicah se je izkazala za težavno. Sternbergov podiplomski študent George Lampe je uspešno razvil sistem za delo v človeških celicah, vendar so zgodnje različice tehnologije delovale z nizko učinkovitostjo.

Sternberg je pričakoval težave. "Sistemi za ulivanje obstajajo, da bi mobilnim genom pomagali preskočiti lestvice evolucijskih časov okoli genoma. Niso pod selektivnim pritiskom, da bi delovali učinkovito.

Umetna evolucija izboljšuje urejanje genov

Namesto da bi ugibala, katere spremembe bi lahko izboljšale njun sistem, sta se Sternberg in Lampe obrnila na Davida Liuja, molekularnega biologa in organskega kemika na Harvardu in Broad Institute, ki je razvil laboratorijsko tehniko, ki pospešuje razvoj beljakovin. Lamp je zmogljivost sistema potisnil do točke, zaradi katere je bil Tempo izvedljiva možnost, Isaac Witte in Simon Eitzinger, dva podiplomska študenta v Liujevem laboratoriju, pa sta sistem premaknila v Tempo, kar je omogočilo izvedbo na stotine krogov evolucije z minimalnimi posegi.

»Razvoj turbokapov in encimov se izboljšuje več, kot lahko raziskovalci običajno naredijo s ciljno usmerjenimi, racionalno zasnovanimi modifikacijami,« pravi Lampe. "Mutacije, pridobljene s Tempom, so znatno izboljšale delovanje celotnega sistema za ulivanje."

Po stotinah evolucijskih generacij lahko novi sistem Evokast uredi od 30 % do 40 % celic, kar je veliko povečanje v primerjavi z nižjimi stopnjami urejanja prvotnega sistema.

Naslednji koraki

Sistem Evokast je že dosegel učinkovitost, primerno za nekatere aplikacije za urejanje genov in gensko terapijo, raziskovalci pa bi radi začeli preizkušati svoj sistem v ustreznejših modelnih sistemih.

Hkrati ekipa nadaljuje z uvajanjem izboljšav, vključno s spremembami drugih komponent Evokast, za nadaljnje izboljšanje učinkovitosti urejanja.

Vendar je eden največjih izzivov za Evokast in druga velika orodja za urejanje DNK v razvoju dostava.

"Kako dejansko spravimo ta orodja in njihove koristne obremenitve v celice ali tkiva, ki nas zanimajo?" Sternberg pravi. "To je izziv, s katerim se mnogi od nas srečujejo na igrišču."

Več informacij

Raziskava je objavljena v "Programmable gen insertion in human cell using a lab-targeted CRISPR-associated transposase", objavljenem 15. maja v Science.

Vsi avtorji: Isaac P. Witte (Broad Institute in Harvard), George D. Lampe (Columbia), Simon Eitzinger (Broad Institute in Harvard), Shannon M. Miller (Broad Institute in Harvard), Kiara N. Berríos (Broad Institute in Harvard), Amber N. McElroy (Univerza v Minnesoti), Rebeca T. King (Columbia), Olivia G. Stringham (Broad Institute in Harvard), Diego R. Gelsinger (Columbia), Phuc Leo H. Vo (Columbia), Albert T. Chen (Broad Institute in Harvard), Jakub Tolar (Univerza v Minnesoti), Mark J. Osborn (Univerza v Minnesoti), Samuel H. Sternberg (Columbia), in David R. Liu (Broading Institute in Harvard).

Samuel H. Sternberg, doktor znanosti, je izredni profesor biokemije in molekularne biofizike na univerzi Columbia. David R. Liu, doktor znanosti, je profesor Richarda Merkina in direktor Inštituta Merkin za transformativne tehnologije v zdravstvu, podpredsednik fakultete na Broad Institute MIT in Harvard ter profesor znanosti Thomas Dudley Cabot na Univerzi Harvard. Oba sta raziskovalca na medicinskem inštitutu Howard Hughes.

Raziskavo je podprl NIH (dotacije 1F31HL167530, R01AR063070, DP2HG011650, R01EB027793, R01EB031172, R01EB027793, RM1HG009490 in R35GM118062), ameriška Nacionalna znanstvena fundacija za podiplomske raziskave. Štipendija, štipendija Pew Biomedical Sciences, štipendija Sloan Research Fellowship, nagrada Irme T. Hirschl za karierno znanstvenico, dekanat medicinskega centra Univerze Columbia Irving, pilotna štipendija Vagelos Precision Medicine in HHMI.

Avtorji so vložili patentne prijave, povezane s tem delom. David Liu je soustanovitelj, svetovalec in/ali delničar Beam Therapeutics, Prime Medicine, Paired Plants, Chroma Medicine, Resonance Medicine, Exo-Therapeutics in NOV Therapeutics. Samuel Sternberg je soustanovitelj in znanstveni svetovalec Dahlia Biosciences, znanstveni svetovalec Crispits in Prime Medicine ter delničar Dahlia Biosciences in Crisprbits.

Viri: