Supertarkalla uudella CRISPR-työkalulla voitaisiin puuttua lukuisiin geneettisiin sairauksiin

kaikesta siitä helppoudesta, jolla hurjan suosittu CRISPR–Cas9-geenieditointityökalu muuttaa genomeja, se on silti hieman kömpelö ja altis virheille ja tahattomille vaikutuksille. Nyt äskettäin kehitetty vaihtoehto tarjoaa paremman kontrollin genomimuokkauksiin — edistysaskel, joka voi olla erityisen tärkeä geenihoitojen kehittämisessä.

vaihtoehtoinen menetelmä, jota kutsutaan prime-editoinniksi, parantaa mahdollisuuksia, että tutkijat päätyvät vain haluamiinsa muokkauksiin sen sijaan, että he olisivat sekoitus muutoksia, joita he eivät voi ennustaa. Nature1-lehdessä 21. lokakuuta julkaistussa tutkimuksessa kuvattu työkalu vähentää myös ”off-target” – vaikutuksia, jotka ovat keskeinen haaste joillekin standardin CRISPR–Cas9-järjestelmän sovelluksille. Se voisi tehdä prime-editointiin perustuvista geeniterapioista turvallisempia ihmisille.

työkalu näyttää kykenevän myös laajempaan muokkausvalikoimaan, mikä saattaa jonain päivänä mahdollistaa sen käytön monien geenieditoijia tähän mennessä estäneiden geneettisten sairauksien hoidossa. David Liu, kemian biologi Broad Institute of MIT ja Harvardin Cambridge, Massachusetts, ja johtava tutkimuksen tekijä, arvioi, että prime editointi voisi auttaa tutkijoita käsittelemään lähes 90% yli 75,000 tautiin liittyvien DNA variantteja lueteltu clinvar, julkinen tietokanta kehittämä Yhdysvaltain National Institutes of Health.

niiden muutosten spesifisyys, joihin tämä uusin työkalu pystyy, voisi myös helpottaa tutkijoiden mahdollisuuksia kehittää tautimalleja laboratoriossa tai tutkia tiettyjen geenien toimintaa, Liu sanoo.

”on alkuaikoja, mutta alustavat tulokset näyttävät fantastisilta”, sanoo Brittany Adamson, joka tutkii DNA: n korjausta ja geenimuokkausta Princetonin yliopistossa New Jerseyssä. ”Tulet näkemään paljon ihmisiä käyttää sitä.”

Prime–editointi ei välttämättä pysty tekemään kovin suuria DNA — lisäyksiä tai poistoja, joihin CRISPR-Cas9 pystyy-joten se ei todennäköisesti täysin korvaa vakiintunutta muokkaustyökalua, sanoo molekyylibiologi Erik sontheimer Massachusettsin yliopiston lääketieteellisestä tiedekunnasta Worcesterista. Se johtuu siitä, että alkumuokkausta varten muutos, jonka tutkija haluaa tehdä, on koodattu RNA: n säikeelle. Mitä pidempi juoste on, sitä todennäköisemmin solun entsyymit vahingoittavat sitä.

”erilaisia genomin muokkausalustoja tarvitaan vielä erityyppisiin muokkauksiin”, sontheimer sanoo.

, mutta alkumuokkaus näyttää olevan tarkempaa ja monipuolisempaa kuin muut tähän mennessä kehitetyt CRISPR-vaihtoehdot. Näitä ovat CRISPR–Cas9: n muunnellut versiot, joiden avulla tutkijat voivat vaihtaa yhden DNA-kirjaimen toiseen, ja vanhemmat työkalut, kuten sinkkisormen nukleaasit, joita on vaikea räätälöidä kuhunkin haluttuun muokkaukseen.

vapaus kontrollin kautta

CRISPR–Cas9 ja prime-editointi toimivat molemmat leikkaamalla DNA: ta tiettyyn kohtaan genomissa. CRISPR-Cas9 katkaisee DNA: n kaksoiskierteen molemmat säikeet ja luottaa sitten solun omaan korjausjärjestelmään vaurion paikkaamisessa ja muokkausten tekemisessä. Mutta tuo korjausjärjestelmä on epäluotettava ja voi lisätä tai poistaa DNA-kirjaimia kohdissa, joissa perimä leikattiin. Tämä voi johtaa hallitsemattomaan sekoitukseen muokkauksia, jotka vaihtelevat solujen välillä.

lisäksi, vaikka tutkijat sisällyttävät mallin ohjaamaan, miten genomi on muokattu, DNA korjaus järjestelmä useimmissa soluissa on paljon todennäköisemmin tehdä näitä pieniä, satunnaisia lisäyksiä tai poistoja kuin lisätä tietyn DNA-sekvenssin genomin. Tämä tekee vaikeaksi — ja joissakin tapauksissa lähes mahdottomaksi — tutkijoiden käyttää CRISPR-Cas9: ää yhden DNA-palan korvaamiseen valitsemallaan sekvenssillä.

Alkumuokkaus ohittaa nämä ongelmat (katso ”Tarkkuuseditori”). Vaikka se käyttää myös Cas9 tunnistaa tiettyjä DNA-sekvenssejä-aivan kuten CRISPR-Cas9 tekee – Cas9 entsyymi prime editointi työkalu on muunnettu nick vain yksi DNA juoste. Sitten toinen entsyymi nimeltä käänteiskopioijaentsyymi, jota ohjaa RNA-juoste, tekee muokkaukset leikkauskohdassa.

pääasiallisten muokkausentsyymien ei tarvitse katkaista molempia DNA — säikeitä tehdäkseen muutoksia, mikä vapauttaa tutkijat luottamasta solun DNA: n korjausjärjestelmään — jota he ei voi hallita-tehdä muokkauksia, että he haluavat. Tämä tarkoittaa, että prime-editointi voisi mahdollistaa sellaisten geneettisten sairauksien hoitojen kehittämisen, jotka johtuvat mutaatioista, joita ei ole helppo käsitellä olemassa olevilla geenieditointityökaluilla.

Monitoimityökalu

aiemmin tutkijat, mukaan lukien Liu, ajattelivat, että heidän olisi kehitettävä geenimuokkaustyökaluja, jotka ovat ominaisia kullekin genomiin haluamalleen muutoskategorialle: insertioille, poistoille tai DNA-kirjainten korvaamisille. Vaihtoehdot olivat rajalliset, kun piti tehdä tarkkoja vaihtoja.

vanhempi tekniikka, nimeltään emäseditointi, joka on tarkkuudeltaan verrannollinen alkumuokkaukseen, muuntaa kemiallisesti yhden DNA — kirjaimen suoraan toiseksi–jotain, mitä CRISPR — Cas9 ei voi tehdä-kuten muuntaa T: N A: ksi tai G: n C: ksi rikkomatta molempia DNA-strandeja2. Liun kehittämä base-editointi voisi olla hyödyllinen joidenkin yksikirjaimisten mutaatioiden aiheuttamien geneettisten sairauksien korjaamisessa, mukaan lukien yleisin sirppisoluanemian muoto.

mutta emäsmuokkaus ei voi auttaa monikirjaimisten mutaatioiden aiheuttamiin geneettisiin häiriöihin, kuten Tay-Sachsin tautiin, joka on yleensä kuolemaan johtava sairaus, jonka aiheuttaa tyypillisesti neljän DNA-kirjaimen lisääminen HEXA–geeniin.

So Liu kollegoineen lähti luomaan tarkkaa geenimuokkaustyökalua, joka antoi tutkijoille joustavuutta ja kontrollia tehdä monentyyppisiä muokkauksia ilman, että heidän tarvitsi luoda tilaustyönä järjestelmiä. Vuonna 2018 joukkue iski prime editing: entsyymiyhdistelmä, mukaan lukien muunneltu Cas9-entsyymi, joka voi muuttaa yksittäisiä DNA-kirjaimia, poistaa kirjaimia tai lisätä sarjan kirjaimia genomiin siten, että DNA-säikeet vahingoittuvat mahdollisimman vähän.

”se on fantastista”, sontheimer sanoo. ”Syntyvien mutaatioiden laajuus on yksi suurimmista edistysaskeleista. Se on valtava.”

mutta Liun tiimin ja muiden täytyy nyt huolellisesti arvioida, kuinka hyvin järjestelmä toimii erilaisissa soluissa ja eliöissä. ”Tämä ensimmäinen tutkimus on vasta alku — eikä loppu — biotieteiden pitkäaikaiselle pyrkimykselle saada aikaan DNA-muutos missä tahansa organismissa”, Liu sanoo.