Supernauwkeurige nieuwe CRISPR-tool zou een overvloed aan genetische ziekten kunnen aanpakken

ondanks het gemak waarmee de razend populaire CRISPR–Cas9 gen-editing tool genomen verandert, is het nog steeds enigszins onhandig en vatbaar voor fouten en onbedoelde effecten. Een recent ontwikkeld alternatief biedt meer controle over genoombewerkingen — een vooruitgang die vooral belangrijk kan zijn voor het ontwikkelen van gentherapieën.

de alternatieve methode, prime editing genaamd, vergroot de kans dat onderzoekers alleen de gewenste bewerkingen krijgen, in plaats van een mix van veranderingen die ze niet kunnen voorspellen. De tool, beschreven in een studie gepubliceerd op 21 oktober in Nature1, vermindert ook de ‘off-target’ effecten die een belangrijke uitdaging zijn voor sommige toepassingen van het standaard CRISPR–Cas9 systeem. Dat zou Prime-editing-gebaseerde gentherapieën veiliger kunnen maken voor gebruik bij mensen.

de tool lijkt ook in staat om een grotere verscheidenheid aan bewerkingen te maken, waardoor het op een dag zou kunnen worden gebruikt voor de behandeling van de vele genetische ziekten die tot nu toe gen-editors hebben belemmerd. David Liu, een chemisch bioloog aan het Broad Institute of MIT en Harvard in Cambridge, Massachusetts en hoofd auteur van de studie, schat dat prime editing onderzoekers zou kunnen helpen aanpakken bijna 90% van de meer dan 75.000 ziekte-geassocieerde DNA-varianten vermeld in ClinVar, een openbare database ontwikkeld door de Amerikaanse National Institutes of Health.

De specificiteit van de veranderingen waartoe dit laatste instrument in staat is, zou het voor onderzoekers ook gemakkelijker kunnen maken om modellen van ziekten in het laboratorium te ontwikkelen, of om de functie van specifieke genen te bestuderen, zegt Liu.”het is nog vroeg, maar de eerste resultaten zien er fantastisch uit”, zegt Brittany Adamson, die DNA-herstel en genbewerking bestudeert aan de Princeton University in New Jersey. “Je zult veel mensen het zien gebruiken.”

Prime editing is mogelijk niet in staat om de zeer grote DNA–inserties of — deleties te maken waartoe CRISPR-Cas9 in staat is-dus het is onwaarschijnlijk dat het gevestigde editing tool volledig zal vervangen, zegt moleculair bioloog Erik Sontheimer aan de Universiteit van Massachusetts Medical School in Worcester. Dat komt omdat voor prime editing, de verandering die een onderzoeker wil maken gecodeerd is op een streng RNA. Hoe langer die streng wordt, hoe groter de kans dat het beschadigd wordt door enzymen in de cel.

“verschillende smaken van genoom-editing platforms zijn nog steeds nodig voor verschillende soorten bewerkingen,” zegt Sontheimer.

maar prime editing lijkt nauwkeuriger en veelzijdiger te zijn dan andere CRISPR-alternatieven die tot nu toe zijn ontwikkeld. Die omvatten gewijzigde versies van CRISPR-Cas9 die onderzoekers toelaten om uit één brief van DNA voor een andere, en oudere hulpmiddelen zoals zink-vinger nucleases te ruilen, die moeilijk aan elke gewenste uitgave zijn aan te passen.

Vrijheid door controle

CRISPR-Cas9 en prime editing werken beide door DNA op een specifiek punt in het genoom te snijden. CRISPR-Cas9 breekt beide bundels van de dubbele schroef van DNA en vertrouwt dan op het eigen reparatiesysteem van de cel om de schade te patchen en de bewerkingen te maken. Maar dat reparatiesysteem is onbetrouwbaar en kan DNA-letters invoegen of verwijderen op de punten waar het genoom werd gesneden. Dit kan leiden tot een oncontroleerbaar mengsel van bewerkingen die tussen cellen variëren.

bovendien, zelfs wanneer onderzoekers een sjabloon gebruiken om te begeleiden hoe het genoom wordt bewerkt, is het DNA-reparatiesysteem in de meeste cellen veel waarschijnlijker dat het kleine, willekeurige inserties of verwijderingen maakt dan dat het een specifieke DNA-sequentie toevoegt aan het genoom. Dat maakt het moeilijk — en in sommige gevallen bijna onmogelijk — voor onderzoekers om CRISPR–Cas9 te gebruiken om een stuk DNA te overschrijven met een volgorde van hun keuze.

Prime editing omzeilt deze problemen (zie ‘Precision editor’). Hoewel het ook Cas9 gebruikt om specifieke DNA-sequenties te herkennen-net als CRISPR-Cas9 – wordt het Cas9-enzym in het eerste bewerkingsinstrument gewijzigd om slechts één DNA-streng te nick. Dan, een tweede enzym genoemd reverse transcriptase en geleid door een streng van RNA, maakt de bewerkingen op de plaats van de snede.

de primaire bewerkingsenzymen hoeven niet beide DNA — strengen te breken om veranderingen aan te brengen, zodat onderzoekers niet kunnen vertrouwen op het DNA — reparatiesysteem van de cel-dat zij niet kunnen controleren-om de bewerkingen die ze willen. Dit betekent dat het eerste uitgeven de ontwikkeling van behandelingen voor genetische ziekten zou kunnen toelaten die door veranderingen worden veroorzaakt die niet gemakkelijk door bestaande hulpmiddelen van het gen-uitgeven worden aangepakt.

een multifunctioneel hulpmiddel

eerder dachten onderzoekers, waaronder Liu, dat ze gen-editing tools zouden moeten ontwikkelen die specifiek zijn voor elke categorie van veranderingen die ze in een genoom wilden aanbrengen: inserties, deleties of DNA-lettersubstituties. En de opties waren beperkt als het ging om het maken van precieze vervangingen.

een oudere techniek, genaamd base editing, die qua precisie vergelijkbaar is met prime editing, zet chemisch een DNA — letter direct om in een andere–iets wat CRISPR — Cas9 niet kan-zoals het omzetten van een T naar een A of een G naar een C, zonder beide DNA-strands2 te breken. Ontwikkeld door Liu, kan base-editing nuttig zijn voor het corrigeren van sommige genetische ziekten veroorzaakt door mutaties met één letter, waaronder de meest voorkomende vorm van sikkelcelanemie.

maar base-editing kan niet helpen bij genetische aandoeningen veroorzaakt door multi-letter mutaties zoals de ziekte van Tay–Sachs, een meestal fatale ziekte die meestal wordt veroorzaakt door het inbrengen van vier DNA-letters in het HEXA-gen.

Liu en zijn collega ‘ s gingen dus op zoek naar een precies gene-editing tool die onderzoekers de flexibiliteit en controle gaf om meerdere soorten bewerkingen te maken zonder op maat gemaakte systemen te hoeven maken. In 2018 sloeg het team toe op prime editing: een combinatie van enzymen, waaronder een gemodificeerd Cas9-enzym, die individuele DNA-letters kunnen veranderen, letters kunnen verwijderen of een reeks letters in een genoom kunnen invoegen, met minimale schade aan DNA-strengen.

“Het is fantastisch,” zegt Sontheimer. “De breedte van de mutaties die kunnen worden ingevoerd is een van de grootste vooruitgang. Dat is enorm.”

maar Liu ‘ s team en anderen zullen nu zorgvuldig moeten evalueren hoe goed het systeem werkt in een verscheidenheid van cellen en organismen. “Deze eerste studie is slechts het begin — in plaats van het einde — van een langdurige aspiratie in de life sciences om elke DNA-verandering te kunnen maken op elke positie in een organisme,” zegt Liu.