Superpræcis nyt CRISPR-værktøj kunne tackle en overflod af genetiske sygdomme

for al den lethed, hvormed det vildt populære CRISPR–Cas9 genredigeringsværktøj ændrer genomer, er det stadig noget klumpet og udsat for fejl og utilsigtede effekter. Nu tilbyder et nyligt udviklet alternativ større kontrol over genomredigeringer — et fremskridt, der kan være særligt vigtigt for at udvikle genterapier.

den alternative metode, kaldet prime editing, forbedrer chancerne for, at forskere ender med kun de redigeringer, de ønsker, i stedet for en blanding af ændringer, som de ikke kan forudsige. Værktøjet, der er beskrevet i en undersøgelse offentliggjort den 21.oktober i Nature1, reducerer også de ‘off-target’ effekter, der er en vigtig udfordring for nogle anvendelser af standard CRISPR–Cas9-systemet. Det kunne gøre prime-redigering-baserede genterapier sikrere til brug hos mennesker.

værktøjet synes også i stand til at lave en bredere vifte af redigeringer, som måske en dag tillader det at blive brugt til at behandle de mange genetiske sygdomme, der hidtil har forhindret genredaktører. David Liu, en kemisk biolog ved Broad Institute of MIT og Harvard i Cambridge, Massachusetts og hovedforfatter, vurderer, at prime redigering kan hjælpe forskere med at tackle næsten 90% af de mere end 75.000 sygdomsassocierede DNA-varianter, der er anført i ClinVar, en offentlig database udviklet af US National Institutes of Health.

specificiteten af de ændringer, som dette nyeste værktøj er i stand til, kan også gøre det lettere for forskere at udvikle sygdomsmodeller i laboratoriet eller at studere funktionen af specifikke gener, siger Liu.”det er tidlige dage, men de første resultater ser fantastiske ud,” siger Brittany Adamson, der studerer DNA-reparation og genredigering ved Princeton University. “Du kommer til at se en masse mennesker, der bruger det.”Prime editing kan muligvis ikke lave de meget store DNA–indsættelser eller sletninger, som CRISPR — Cas9 er i stand til-så det er usandsynligt, at det helt erstatter det veletablerede redigeringsværktøj, siger molekylærbiolog Erik Sontheimer ved University of Massachusetts Medical School. Det skyldes, at for prime redigering er den ændring, som en forsker ønsker at lave, kodet på en streng af RNA. Jo længere denne streng bliver, desto mere sandsynligt er det at blive beskadiget af celler i cellen.

“Der er stadig behov for forskellige varianter af genomredigeringsplatforme til forskellige typer redigeringer,” siger Sontheimer.

men prime redigering synes at være mere præcis og alsidig end andre CRISPR alternativer udviklet hidtil. Disse omfatter modificerede versioner af CRISPR-Cas9, der gør det muligt for forskere at bytte et DNA-bogstav til et andet og ældre værktøjer som f.eks.

frihed gennem kontrol

CRISPR–Cas9 og prime-redigering fungerer begge ved at skære DNA på et specifikt punkt i genomet. CRISPR-Cas9 bryder begge dele af DNA – dobbeltspiralen og er derefter afhængig af cellens eget reparationssystem for at lappe skaden og foretage redigeringerne. Men det reparationssystem er upålideligt og kan indsætte eller slette DNA-bogstaver på de punkter, hvor genomet blev skåret. Dette kan føre til en ukontrollerbar blanding af redigeringer, der varierer mellem celler.

derudover, selv når forskere inkluderer en skabelon til at guide, hvordan genomet redigeres, er DNA-reparationssystemet i de fleste celler langt mere tilbøjelige til at foretage disse små, tilfældige indsættelser eller sletninger end at tilføje en specifik DNA-sekvens til genomet. Det gør det vanskeligt — og i nogle tilfælde næsten umuligt — for forskere at bruge CRISPR–Cas9 til at overskrive et stykke DNA med en sekvens efter eget valg.

Prime redigering omgår disse problemer (se ‘Precision editor’). Selvom det også bruger Cas9 til at genkende specifikke DNA — sekvenser–ligesom CRISPR — Cas9 gør-er Cas9 i det primære redigeringsværktøj modificeret til kun at nick en DNA-streng. Derefter foretager et andet transkriptase kaldet revers transkriptase og styret af en streng af RNA redigeringerne på skæringsstedet.

de primære redigeringssystemer behøver ikke at bryde begge DNA — tråde for at foretage ændringer, hvilket frigør forskere fra at stole på cellens DNA — reparationssystem-som de ikke kan kontrollere-for at foretage de redigeringer, de ønsker. Dette betyder, at primredigering kan muliggøre udvikling af behandlinger for genetiske sygdomme forårsaget af mutationer, der ikke let adresseres af eksisterende genredigeringsværktøjer.

et multifunktionsværktøj

tidligere troede forskere, herunder Liu, at de skulle udvikle genredigeringsværktøjer, der var specifikke for hver kategori af ændringer, de ønskede at lave i et genom: indsættelser, sletninger eller DNA-brevsubstitutioner. Og mulighederne var begrænsede, når det gjaldt at foretage præcise udskiftninger.

en ældre teknik, kaldet baseredigering, som kan sammenlignes i præcision med primredigering, konverterer kemisk et DNA — bogstav direkte til et andet–noget CRISPR — Cas9 ikke kan gøre-såsom at konvertere en T til en A eller en G til en C uden at bryde begge DNA-strenger2. Udviklet af Liu kan baseredigering være nyttig til at korrigere nogle genetiske sygdomme forårsaget af mutationer med et bogstav, herunder den mest almindelige form for seglcelleanæmi.men baseredigering kan ikke hjælpe med genetiske lidelser forårsaget af mutationer med flere bogstaver, såsom Tay-Sachs sygdom, en normalt dødelig sygdom, der typisk skyldes indsættelse af fire DNA–bogstaver i GEKSA-genet.

så Liu og hans kolleger satte sig for at skabe et præcist genredigeringsværktøj, der gav forskerne fleksibilitet og kontrol til at foretage flere typer redigeringer uden at skulle oprette skræddersyede systemer. I 2018 ramte holdet prime editing: en kombination af en modificeret Cas9, der kan ændre individuelle DNA-bogstaver, slette bogstaver eller indsætte en række bogstaver i et genom med minimal skade på DNA-tråde.

“det er fantastisk,” siger Sontheimer. “Bredden af de mutationer, der kan introduceres, er et af de største fremskridt. Det er enormt.”

men lius team og andre bliver nu nødt til nøje at evaluere, hvor godt systemet fungerer i en række celler og organismer. “Denne første undersøgelse er kun begyndelsen-snarere end slutningen — på en langvarig ambition inden for biovidenskab for at være i stand til at foretage enhver DNA-ændring i enhver position i en organisme,” siger Liu.