Ein verbessertes Master-Editing-System ermöglicht Änderungen der Gengröße in menschlichen Zellen auf therapeutischem Niveau

Wissenschaftler am Broad Institute of MIT und Harvard haben eine Gen-Editing-Technologie verbessert, die nun in der Lage ist, ganze Gene effizient genug in das Genom menschlicher Zellen einzufügen oder zu ersetzen, um möglicherweise für therapeutische Anwendungen nützlich zu sein.

Dieser Fortschritt des Labors von David Liu, einem Mitglied des Broad Core Institute, könnte Forschern eines Tages dabei helfen, eine einzigartige Gentherapie für Krankheiten wie Mukoviszidose zu entwickeln, die durch Hunderte oder sogar Tausende verschiedener Mutationen eines Gens verursacht werden . Mit diesem neuen Ansatz würden sie eine gesunde Kopie des Gens an seiner ursprünglichen Stelle im Genom einfügen, anstatt eine andere Gentherapie entwickeln zu müssen, um jede Mutation mit anderen Genbearbeitungsansätzen zu korrigieren, die kleinere Änderungen bewirken.

Die neue Methode nutzt eine Kombination aus Prime-Editing, mit dem ein breites Spektrum an Editierungen bis hin zu etwa 100 oder 200 Basenpaaren direkt durchgeführt werden kann, und neu entwickelten Rekombinase-Enzymen, die große DNA-Stücke mit einer Länge von mehreren Tausend Basenpaaren effizient an bestimmten Stellen einfügen Stellen im Genom. Dieses System namens eePASSIGE kann Gengrößenänderungen um ein Vielfaches effizienter durchführen als andere ähnliche Methoden und wird in beschrieben Natürliche biomedizinische Technik.

„Nach unserem Kenntnisstand ist dies eines der ersten Beispiele für eine gezielte und programmierbare Genintegration in Säugetierzellen, das wichtige Kriterien für eine potenzielle therapeutische Relevanz erfüllt“, sagte Liu, Hauptautor der Studie, Professor Richard Merkin und Leiter der Studie. Merkin Institute of Transformative Technologies in Healthcare at the Broad, Professor an der Harvard University und Forscher am Howard Hughes Medical Institute.

„Mit diesen Effizienzsteigerungen hoffen wir, dass viele, wenn nicht die meisten genetischen Erkrankungen mit Funktionsverlust gelindert oder gerettet werden können, wenn die Effizienzsteigerungen, die wir in kultivierten menschlichen Zellen beobachten, auf die klinische Umgebung übertragen werden können.“

Die Doktorandin Smriti Pandey und der Postdoktorand Daniel Gao, beide Mitglieder von Lius Gruppe, waren Co-Erstautoren der Studie, die ebenfalls eine Zusammenarbeit mit Mark Osborns Gruppe an der University of Minnesota und Elliot Chaikofs Gruppe am Beth Israel Deaconess Medical Center war.

„Dieses System bietet vielversprechende Möglichkeiten für Zelltherapien, bei denen es unter anderem dazu verwendet werden kann, Gene präzise in Zellen außerhalb des Körpers einzuführen, bevor sie zur Behandlung von Krankheiten an Patienten abgegeben werden“, sagte Pandey.

„Es ist spannend, die hohe Effizienz und Vielseitigkeit von eePASSIGE zu sehen, die eine neue Kategorie genomischer Arzneimittel ermöglichen könnte“, fügte Gao hinzu. „Wir hoffen auch, dass es ein Werkzeug sein wird, mit dem Wissenschaftler in der gesamten Forschungsgemeinschaft grundlegende biologische Fragen untersuchen können.“

Wesentliche Verbesserungen

Viele Wissenschaftler haben Prime Editing eingesetzt, um effizient Veränderungen in der DNA von bis zu zehn Basenpaaren einzuführen, was ausreicht, um die überwiegende Mehrheit der bekannten krankheitsverursachenden Mutationen zu korrigieren. Aber die Rückkehr ganzer gesunder Gene, die oft Tausende von Basenpaaren lang sind, zurück an ihren ursprünglichen Ort im Genom, ist ein seit langem bestehendes Ziel auf dem Gebiet der Genbearbeitung.

Dadurch könnten möglicherweise nicht nur viele Patienten behandelt werden, unabhängig davon, welche Mutation sie in einem krankheitsverursachenden Gen tragen, sondern es würden auch umgebende DNA-Sequenzen erhalten bleiben, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass das neu installierte Gen richtig reguliert und nicht zu stark exprimiert wird. , zu wenig oder zur falschen Zeit.

Im Jahr 2021 meldete Lius Labor einen wichtigen Schritt in Richtung dieses Ziels und entwickelte einen erstklassigen Editierungsansatz namens TwinPE, der Rekombinase-„Landestellen“ im Genom installierte und dann natürliche Rekombinase-Enzyme wie Bxb1 nutzte, um die Insertion neuer DNA in das Hauptgenom zu katalysieren . geänderte Zielstandorte.

Das von Liu mitbegründete Biotechnologieunternehmen Prime Medicine begann schnell, die Technologie, die es PASSIGE (Prime-Editing-Assisted Site-Special Integrase Gene Edition) nannte, zur Entwicklung von Behandlungen für genetisch bedingte Krankheiten zu nutzen.

PASSIGE installiert Veränderungen nur in einem kleinen Teil der Zellen, was ausreicht, um einige, aber wahrscheinlich nicht die meisten, genetischen Krankheiten zu behandeln, die auf den Verlust eines funktionsfähigen Gens zurückzuführen sind. Deshalb machte sich Lius Team in der heute vorgestellten neuen Arbeit daran, die Effizienz der PASSIGE-Bearbeitung zu verbessern. Sie fanden heraus, dass das Rekombinase-Enzym Bxb1 für die Einschränkung der Wirksamkeit von PASSIGE verantwortlich war. Anschließend verwendeten sie ein zuvor von Lius Gruppe entwickeltes Tool namens PACE (Phage-Assisted Continuous Evolution), um im Labor schnell effizientere Versionen von Bxb1 zu entwickeln.

Die neu entwickelte und konstruierte Bxb1-Variante (eeBxb1) verbesserte die eePASSIGE-Methode dahingehend, dass durchschnittlich 30 % der Größe eines Gens in Maus- und menschliche Zellen passen, viermal größer als die ursprüngliche Technik und etwa 16-mal größer als eine andere kürzlich veröffentlichte Methode Methode. namens PASTE.

„Das eePASSIGE-System bietet eine vielversprechende Grundlage für Studien, bei denen Kopien gesunder Gene an Orten unserer Wahl in Zell- und Tiermodelle genetischer Krankheiten integriert werden, um Funktionsverluststörungen zu behandeln“, sagte Liu. „Wir hoffen, dass dieses System ein wichtiger Schritt zur Realisierung der Vorteile einer gezielten Genintegration für Patienten sein wird.“

Mit diesem Ziel vor Augen arbeitet Lius Team derzeit daran, eePASSIGE mit Abgabesystemen wie virusähnlichen Partikeln (eVLPs) zu kombinieren, um die Hindernisse zu überwinden, die traditionell die therapeutische Abgabe von Geneditoren im Körper begrenzt haben.