Volledige geninsertie is nu mogelijk in menselijke cellen

Onderzoekers van het Broad Institute hebben de genbewerking verbeterd om hele genen efficiënt in menselijke cellen in te brengen, wat de mogelijkheid biedt van therapieën met één gen voor ziekten zoals cystische fibrose. Deze methode combineert prime editing met nieuwe enzymen om de efficiëntie van het bewerken te verbeteren, wat een revolutie teweeg zou kunnen brengen in de gentherapie.

Genbewerkingstechnologie maakt gebruik van primer-editors samen met geavanceerde enzymen die bekend staan ​​als recombinasen. Deze aanpak heeft het potentieel om te leiden tot universele gentherapieën die effectief zijn voor aandoeningen zoals cystische fibrose.

Onderzoekers van het Broad Institute of MIT en de Harvard University beschikken over geavanceerde technologie voor genbewerking die nu op efficiënte wijze hele genen in de genomen van menselijke cellen kan invoegen of vervangen, waardoor ze geschikt worden voor therapeutisch gebruik.

Deze vooruitgang, geboekt door het laboratorium van David Liu, lid van het Broadcore Institute, zou op een dag onderzoekers kunnen helpen één enkele gentherapie te ontwikkelen voor ziekten zoals cystische fibrose die worden veroorzaakt door een van de honderden of duizenden verschillende mutaties in het gen. Met behulp van deze nieuwe aanpak zullen ze in staat zijn een gezonde kopie van een gen op de oorspronkelijke locatie in het genoom in te voegen, in plaats van een andere gentherapie te moeten creëren om elke mutatie te corrigeren met behulp van andere genbewerkingsbenaderingen die kleinere wijzigingen aanbrengen.

De nieuwe methode maakt gebruik van een combinatie van prime editing, waarmee direct een breed scala aan wijzigingen kan worden aangebracht van maximaal ongeveer 100 of 200 basenparen, en nieuw ontwikkelde recombinatie-enzymen die op efficiënte wijze grote stukken cellen inbrengen. DNA Duizenden basenparen lang op specifieke locaties in het genoom. Dit systeem, eePASSIGE genaamd, kan meerdere keren efficiënter bewerkingen op gengrootte uitvoeren dan andere vergelijkbare methoden, en wordt gerapporteerd in Aard van biomedische technologie.

“Voor zover wij weten is dit een van de eerste voorbeelden van programmeerbare gerichte genintegratie in zoogdiercellen die voldoet aan belangrijke criteria van potentiële therapeutische betekenis”, zegt Liu, hoofdauteur van de studie, Richard Mirkin Professor en directeur van het UCLA Research Center. . Mirkin hoogleraar transformatieve technologieën in de gezondheidszorg bij Broad, is professor aan de Harvard University en onderzoeker aan het Howard Hughes Medical Institute. “Gezien deze efficiëntieverbeteringen verwachten we dat veel, zo niet de meeste, genetische ziekten met functieverlies kunnen worden verbeterd of gered, als de efficiëntieverbeteringen die we waarnemen in gekweekte menselijke cellen kunnen worden vertaald naar de klinische setting.”

Afgestudeerde student Smriti Pandey en postdoctoraal onderzoeker Daniel Zhao, beiden in de groep van Liu, waren co-auteurs van de studie, die ook een samenwerking was met de groep van Mark Osborne aan de Universiteit van Minnesota en de groep van Eliot Chekov aan het Beth Israel Deaconess Medical Center.

“Dit systeem biedt veelbelovende mogelijkheden voor celtherapieën, omdat het kan worden gebruikt om genen nauwkeurig in cellen buiten het lichaam te introduceren voordat ze aan patiënten worden gegeven om onder andere ziekten te behandelen”, aldus Pandey.

“Het is opwindend om de hoge efficiëntie en veelzijdigheid van eePASSIGE te zien, die een nieuwe klasse genomische geneesmiddelen mogelijk zou kunnen maken,” voegde Gao eraan toe. “We hopen ook dat het een hulpmiddel zal zijn dat wetenschappers uit de hele onderzoeksgemeenschap kunnen gebruiken om fundamentele biologische vragen te bestuderen.”

Grote verbeteringen

Veel wetenschappers hebben prime editing gebruikt om veranderingen in DNA tot tientallen basenparen lang efficiënt te stabiliseren, wat voldoende is om de overgrote meerderheid van bekende ziekteveroorzakende mutaties te corrigeren. Maar het inbrengen van hele intacte genen, vaak duizenden basenparen lang, op hun oorspronkelijke locatie in het genoom is al lang een doel bij het bewerken van genen. Dit zou niet alleen veel patiënten kunnen genezen, ongeacht welke mutatie ze hebben in het ziekteveroorzakende gen, maar het zou ook de omringende DNA-sequentie behouden, waardoor het waarschijnlijker wordt dat het nieuw gevonden gen op de juiste manier wordt gereguleerd, in plaats van tot overexpressie te worden gebracht. Of te weinig, of op het verkeerde moment.

In 2021 rapporteerde het laboratorium van Liu een belangrijke stap in de richting van dit doel en ontwikkelde het een belangrijke bewerkingsaanpak genaamd TwinPE, die recombinante “landingsplaatsen” in het genoom installeerde en vervolgens natuurlijke recombinante enzymen zoals Bxb1 gebruikte om de insertie van nieuw DNA in het primaire DNA te katalyseren. cel. Doelsites bewerkt.

Al snel begon het biotechbedrijf Prime Medicine, waarvan Liu medeoprichter was, de technologie, die zij PASSIGE (primer-assisted integrative site-specific gene editing) noemden, te gebruiken om behandelingen voor genetische ziekten te ontwikkelen.

PASSIGE installeert de wijzigingen in slechts een fractie van de cellen, voldoende om sommige, maar misschien niet de meeste, genetische ziekten te behandelen die het gevolg zijn van het verlies van een functionerend gen. Dus in het nieuwe werk dat vandaag wordt gerapporteerd, heeft Liu’s team zich tot doel gesteld de bewerkingsefficiëntie van PASSIGE te verbeteren. Ze ontdekten dat het recombinante enzym Bxb1 de reden was voor de vermindering van de PASSIGE-efficiëntie. Vervolgens gebruikten ze een tool die eerder door Liu’s groep was ontwikkeld, genaamd een stap (faag-geassisteerde continue evolutie) om snel efficiëntere versies van Bxb1 in het laboratorium te ontwikkelen.

Een nieuw ontwikkelde en ontwikkelde Bxb1-variant (eeBxb1) heeft de eePASSIGE-methode verbeterd om gemiddeld 30 procent meer lading ter grootte van een gen in muizen- en menselijke cellen op te nemen, vier keer meer dan de oorspronkelijke technologie en ongeveer 16 keer meer dan een andere recent gepubliceerde methode splitsing genoemd.

“Het eePASSIGE-systeem biedt een veelbelovende basis voor studies die gezonde gentranscripten integreren in de door ons gekozen loci in cellulaire en diermodellen van genetische ziekten om stoornissen met functieverlies te behandelen,” zei Liu. “We hopen dat dit systeem een ​​belangrijke stap zal blijken te zijn om de voordelen van gerichte genintegratie naar patiënten te brengen.”

Met dit doel voor ogen werkt het team van Liu nu aan het combineren van eePASSIGE met bezorgsystemen zoals Virusachtige deeltjes (eVLP’s) die kunnen overwinnen Hindernissen Wat traditioneel de therapeutische toediening van gen-editors in het lichaam heeft beperkt.

Referentie: “Efficiënte plaatsspecifieke integratie van grote genen in zoogdiercellen via steeds evoluerende recombinatie- en primerbewerkingsprocessen” door Smriti Pandey, Shane D. Gao, Nicolaas A. Krasnow, Amber McElroy, Y. Allen Tao, Jordyn E. Dobie, Benjamin J. Steinbeck, Julia McCreary, Sarah E. Pierce, Jacob Tollar, Torsten B. Meissner, Elliot L. Chekov, Mark J. Osborne en David R. Leeuw, 10 juni 2024, Aard van biomedische technologie.
doi: 10.1038/s41551-024-01227-1

Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door Nationale gezondheidsinstitutenDe Bill & Melinda Gates Foundation en het Howard Hughes Medical Institute.