Super precyzyjne nowe narzędzie CRISPR może poradzić sobie z mnóstwem chorób genetycznych

z całą łatwością, z jaką szalenie popularne narzędzie do edycji genów CRISPR–Cas9 zmienia genomy, nadal jest nieco niezdarne i podatne na błędy i niezamierzone efekty. Niedawno opracowana alternatywa oferuje większą kontrolę nad zmianami w genomie — postęp, który może być szczególnie ważny w opracowywaniu terapii genowych.

alternatywna metoda, zwana Prime editing, zwiększa szanse, że badacze zakończą tylko edycjami, których chcą, zamiast kombinacji zmian, których nie mogą przewidzieć. Narzędzie, opisane w badaniu opublikowanym w dniu 21 października w Nature1, zmniejsza również efekty „poza celem”, które są kluczowym wyzwaniem dla niektórych zastosowań standardowego systemu CRISPR–Cas9. To może sprawić, że terapie genowe oparte na pierwszej edycji będą bezpieczniejsze w użyciu u ludzi.

narzędzie wydaje się również zdolne do dokonywania szerszej gamy edycji, co może pewnego dnia pozwolić na zastosowanie go w leczeniu wielu chorób genetycznych, które do tej pory utrudniały edytowanie genów. David Liu, biolog chemiczny W Broad Institute of MIT i Harvard w Cambridge, Massachusetts i główny autor badań, szacuje, że pierwsza edycja może pomóc badaczom rozwiązać prawie 90% z ponad 75 000 wariantów DNA związanych z chorobą wymienionych w ClinVar, publicznej bazie danych opracowanej przez amerykańskie Narodowe Instytuty Zdrowia.

specyfika zmian, do których jest zdolne to najnowsze narzędzie, może również ułatwić naukowcom opracowywanie modeli chorób w laboratorium lub badanie funkcji określonych genów, mówi Liu.

„to wczesne dni, ale wstępne wyniki wyglądają fantastycznie”, mówi Brittany Adamson, która studiuje naprawę DNA i edycję genów na Uniwersytecie Princeton w New Jersey. „Zobaczysz, że wielu ludzi z niego korzysta.”

Prime editing może nie być w stanie dokonać bardzo dużych insercji lub delecji DNA, do których CRISPR–Cas9 jest zdolny — więc jest mało prawdopodobne, aby całkowicie zastąpić dobrze ugruntowane narzędzie do edycji, mówi biolog molekularny Erik Sontheimer z University of Massachusetts Medical School w Worcester. To dlatego, że dla pierwszej edycji, zmiana, którą chce wprowadzić badacz, jest zakodowana na nici RNA. Im dłużej ta nić się robi, tym bardziej prawdopodobne jest, że zostanie uszkodzona przez enzymy w komórce.

„różne smaki platform do edycji genomu nadal będą potrzebne do różnych rodzajów edycji”, mówi Sontheimer.

ale prime editing wydaje się być bardziej precyzyjny i wszechstronny niż inne alternatywy CRISPR opracowane do tej pory. Należą do nich zmodyfikowane wersje CRISPR-Cas9, które umożliwiają badaczom zamianę jednej litery DNA na drugą, oraz starsze narzędzia, takie jak nukleazy cynkowo-palcowe, które są trudne do dostosowania do każdej pożądanej edycji.

wolność poprzez kontrolę

CRISPR–Cas9 i prime editing działają poprzez cięcie DNA w określonym punkcie genomu. CRISPR-Cas9 łamie obie nici podwójnej helisy DNA, a następnie polega na własnym systemie naprawczym komórki, aby naprawić uszkodzenia i dokonać zmian. Ale ten system naprawczy jest zawodny i może wstawiać lub usuwać litery DNA w miejscach, w których wycięto Genom. Może to prowadzić do niekontrolowanej mieszaniny zmian, które różnią się między komórkami.

ponadto, nawet jeśli badacze zawierają szablon, aby kierować, jak Genom jest edytowany, system naprawy DNA w większości komórek jest znacznie bardziej prawdopodobne, aby te małe, przypadkowe insercje lub delecje niż dodać określoną sekwencję DNA do genomu. To sprawia, że trudno — a w niektórych przypadkach prawie niemożliwe — dla naukowców, aby użyć CRISPR-Cas9 nadpisać jeden kawałek DNA z sekwencją ich wyboru.

Prime editing omija te problemy (patrz 'Precision editor’). Chociaż używa również Cas9 do rozpoznawania określonych sekwencji DNA – tak jak robi to CRISPR-Cas9 — enzym Cas9 w głównym narzędziu do edycji jest modyfikowany do Nicka tylko jednej nici DNA. Następnie drugi enzym zwany odwrotną transkryptazą i kierowany przez nić RNA, dokonuje zmian w miejscu cięcia.

główne enzymy edytujące nie muszą łamać obu nici DNA, aby dokonać zmian, uwalniając naukowców od polegania na systemie naprawy DNA komórki — który nie mogą kontrolować — aby dokonać zmian, które chcą. Oznacza to, że prime editing może umożliwić rozwój metod leczenia chorób genetycznych spowodowanych przez mutacje, które nie są łatwo rozwiązywane przez istniejące narzędzia do edycji genów.

wielofunkcyjne narzędzie

wcześniej naukowcy, w tym Liu, myśleli, że będą musieli opracować narzędzia do edycji genów specyficzne dla każdej kategorii zmian, które chcieli wprowadzić w genomie: insercje, delecje lub podstawienia liter DNA. Opcje były ograniczone, jeśli chodzi o precyzyjne zastępowanie.

starsza technika, zwana edycją bazową, która jest porównywalna pod względem precyzji do edycji podstawowej, chemicznie przekształca jedną literę DNA bezpośrednio w drugą — coś, czego CRISPR–Cas9 nie może zrobić — na przykład konwersję T na A lub G na C, bez łamania obu nici DNA. Opracowany przez Liu, edytowanie bazy może być przydatne do korygowania niektórych chorób genetycznych spowodowanych mutacjami jednoliterowymi, w tym najczęstszej postaci anemii sierpowatej.

ale edytowanie bazy nie może pomóc w zaburzeniach genetycznych spowodowanych mutacjami wieloliterowymi, takimi jak choroba Tay-Sachsa, Zwykle śmiertelna choroba zwykle spowodowana wstawieniem czterech liter DNA do genu HEXA.

więc Liu i jego koledzy postanowili stworzyć precyzyjne narzędzie do edycji genów, które dało naukowcom elastyczność i kontrolę nad dokonywaniem wielu rodzajów zmian bez konieczności tworzenia systemów na zamówienie. W 2018 roku zespół trafił na prime editing: kombinacja enzymów, w tym zmodyfikowany enzym Cas9, która może zmieniać pojedyncze litery DNA, usuwać litery lub wstawiać serię liter do genomu, przy minimalnym uszkodzeniu nici DNA.

„to fantastyczne” – mówi Sontheimer. „Zakres mutacji, które można wprowadzić, jest jednym z największych osiągnięć. To coś wielkiego.”

ale zespół Liu i inni będą teraz musieli dokładnie ocenić, jak dobrze system działa w różnych komórkach i organizmach. „To pierwsze badanie to dopiero początek — a nie koniec — długotrwałego dążenia w naukach o życiu, aby móc dokonać dowolnej zmiany DNA w dowolnej pozycji w organizmie”, mówi Liu.