Całkowite wprowadzenie genu jest teraz możliwe do komórek ludzkich

Naukowcy z Broad Institute ulepszyli edycję genów, aby skutecznie wprowadzać całe geny do komórek ludzkich, oferując możliwość terapii jednogenowych w przypadku chorób takich jak mukowiscydoza. Metoda ta łączy edycję podstawową z nowatorskimi enzymami w celu zwiększenia wydajności edycji, co może zrewolucjonizować terapię genową.

Technologia edycji genów wykorzystuje edytory starterów wraz z zaawansowanymi enzymami znanymi jako rekombinazy. Podejście to może potencjalnie doprowadzić do uniwersalnych terapii genowych, które będą skuteczne w leczeniu takich schorzeń jak mukowiscydoza.

Naukowcy z Broad Institute of MIT i Harvard University opracowali zaawansowaną technologię edycji genów, która umożliwia obecnie skuteczne wstawianie lub zastępowanie całych genów w genomach ludzkich komórek, dzięki czemu nadają się one do zastosowań terapeutycznych.

Postęp ten, dokonany w laboratorium członka Broadcore Institute, Davida Liu, może pewnego dnia pomóc naukowcom w opracowaniu terapii jednym genem na choroby takie jak mukowiscydoza, które są spowodowane jedną z setek lub tysięcy różnych mutacji w genie. Korzystając z tego nowego podejścia, będą mogli wstawić zdrową kopię genu w jego pierwotne miejsce w genomie, zamiast tworzyć inną terapię genową w celu skorygowania każdej mutacji przy użyciu innych metod edycji genów, które wprowadzają mniejsze modyfikacje.

Nowa metoda wykorzystuje kombinację edycji pierwotnej, która może bezpośrednio dokonać szerokiego zakresu modyfikacji do około 100 lub 200 par zasad, oraz nowo opracowane enzymy rekombinacyjne, które skutecznie wstawiają duże fragmenty komórek. DNA Długość tysięcy par zasad w określonych miejscach genomu. System ten, nazwany eePASSIGE, może przeprowadzać edycję wielkości genu kilka razy wydajniej niż inne podobne metody, co opisano w artykule Charakter inżynierii biomedycznej.

„Według naszej wiedzy jest to jeden z pierwszych przykładów programowalnej, ukierunkowanej integracji genów w komórkach ssaków, która spełnia kluczowe kryteria o potencjalnym znaczeniu terapeutycznym” – powiedział Liu, główny autor badania, profesor Richard Mirkin i dyrektor Centrum Badawczego UCLA . Mirkin jest profesorem technologii transformacyjnych w opiece zdrowotnej w Broad, profesorem na Uniwersytecie Harvarda i pracownikiem naukowym w Instytucie Medycznym Howarda Hughesa. „Biorąc pod uwagę tę efektywność, przewidujemy, że wiele, jeśli nie większość, chorób genetycznych powodujących utratę funkcji można złagodzić lub uratować, jeśli skuteczność, którą obserwujemy w hodowanych komórkach ludzkich, można przełożyć na warunki kliniczne”.

Absolwent Smriti Pandey i badacz ze stopniem doktora Daniel Zhao, obaj z grupy Liu, byli współautorami badania, które było również wynikiem współpracy z grupą Marka Osborne’a na Uniwersytecie w Minnesocie i grupą Eliota Chekowa w Beth Israel Deaconess Medical Center.

„System ten oferuje obiecujące możliwości terapii komórkowych, ponieważ można go między innymi wykorzystać do precyzyjnego wprowadzania genów do komórek poza organizmem przed podaniem ich pacjentom w celu leczenia chorób” – powiedział Pandey.

„To ekscytujące widzieć wysoką skuteczność i wszechstronność eePASSIGE, która może umożliwić opracowanie nowej klasy leków genomowych” – dodał Gao. „Mamy również nadzieję, że będzie to narzędzie, którego naukowcy z całej społeczności badawczej będą mogli używać do badania podstawowych zagadnień biologicznych”.

Główne ulepszenia

Wielu naukowców zastosowało edycję pierwszą, aby skutecznie ustabilizować zmiany w DNA o długości do kilkudziesięciu par zasad, co jest wystarczające do skorygowania ogromnej większości znanych mutacji chorobotwórczych. Jednak od dawna celem edycji genów było wstawienie całych, nienaruszonych genów, często o długości tysięcy par zasad, do ich pierwotnej lokalizacji w genomie. Mogłoby to nie tylko wyleczyć wielu pacjentów, niezależnie od mutacji w genie powodującym chorobę, ale także zachowałoby otaczającą sekwencję DNA, zwiększając prawdopodobieństwo, że nowo odkryty gen będzie odpowiednio regulowany, a nie nadekspresjonowany. Albo za mało, albo w niewłaściwym czasie.

W 2021 r. laboratorium Liu zgłosiło istotny krok w kierunku tego celu i opracowało kluczową metodę edycji o nazwie TwinPE, która instaluje rekombinowane „miejsca lądowania” w genomie, a następnie wykorzystuje naturalne rekombinowane enzymy, takie jak Bxb1, do katalizowania insercji nowego DNA do pierwotnej komórka. Edytowane witryny docelowe.

Wkrótce firma biotechnologiczna Prime Medicine, której współzałożycielem jest Liu, zaczęła wykorzystywać technologię, którą nazwała PASSIGE (integracyjna edycja genów specyficzna dla miejsca za pomocą podkładu), do opracowywania metod leczenia chorób genetycznych.

PASSIGE instaluje modyfikacje jedynie w ułamku komórek, co jest wystarczające do leczenia niektórych, choć być może nie większości, chorób genetycznych wynikających z utraty funkcjonującego genu. Dlatego też w nowej pracy opublikowanej dzisiaj zespół Liu postanowił zwiększyć wydajność edycji PASSIGE. Odkryli, że rekombinowany enzym Bxb1 był przyczyną zmniejszenia wydajności PASSIGE. Następnie wykorzystali narzędzie opracowane wcześniej przez grupę Liu o nazwie krok (ciągła ewolucja wspomagana przez fagi) w celu szybkiego opracowania w laboratorium bardziej wydajnych wersji Bxb1.

Nowo opracowany i skonstruowany wariant Bxb1 (eeBxb1) udoskonalił metodę eePASSIGE, umożliwiając włączenie średnio o 30 procent więcej ładunku wielkości genu do komórek myszy i człowieka, cztery razy więcej niż w oryginalnej technologii i około 16 razy więcej niż w przypadku innej niedawno opublikowanej metody zwane splotem.

„System eePASSIGE stanowi obiecującą podstawę do badań integrujących transkrypty zdrowych genów z wybranymi przez nas loci w komórkowych i zwierzęcych modelach chorób genetycznych w celu leczenia zaburzeń związanych z utratą funkcji” – powiedział Liu. „Mamy nadzieję, że ten system okaże się ważnym krokiem w kierunku zapewnienia pacjentom korzyści płynących z ukierunkowanej integracji genów”.

Mając ten cel na uwadze, zespół Liu pracuje obecnie nad połączeniem eePASSIGE z systemami dostarczania, takimi jak Cząsteczki wirusopodobne (eVLP), które mogą pokonać Płotki Co tradycyjnie ograniczało terapeutyczne dostarczanie edytorów genów do organizmu.

Odniesienie: „Efektywna, specyficzna dla miejsca integracja dużych genów z komórkami ssaków poprzez stale ewoluujące procesy rekombinacji i edycji starterów” autorstwa Smriti Pandey, Shane D. Gao, Nicholas A. Krasnow, Amber McElroy, Y. Allen Tao, Jordyn E. Dobie, Benjamin J. Steinbecka, Julii McCreary, Sarah E. Pierce, Jacob Tollar, Torsten B. Misnera, Elliota L. Czechow, Mark J. Osborne’a i Davida R. Lew, 10 czerwca 2024 r., Charakter inżynierii biomedycznej.
doi: 10.1038/s41551-024-01227-1

Częściowo prace te wsparł m.in Narodowy Instytut ZdrowiaFundacja Billa i Melindy Gatesów oraz Instytut Medyczny Howarda Hughesa.