Superpräzises neues CRISPR-Tool könnte eine Vielzahl genetischer Krankheiten bekämpfen

Trotz der Leichtigkeit, mit der das beliebte CRISPR–Cas9-Gen-Editing-Tool Genome verändert, ist es immer noch etwas klobig und anfällig für Fehler und unbeabsichtigte Effekte. Eine kürzlich entwickelte Alternative bietet nun eine bessere Kontrolle über Genomänderungen – ein Fortschritt, der besonders für die Entwicklung von Gentherapien wichtig sein könnte.Die alternative Methode, Prime Editing genannt, verbessert die Chancen, dass Forscher nur die gewünschten Änderungen erhalten, anstatt eine Mischung von Änderungen, die sie nicht vorhersagen können. Das Tool, das in einer Studie beschrieben wurde, die am 21. Oktober in Nature1 veröffentlicht wurde, reduziert auch die Off-Target–Effekte, die eine zentrale Herausforderung für einige Anwendungen des Standard-CRISPR-Cas9-Systems darstellen. Das könnte Prime-Editing-basierte Gentherapien für den Einsatz bei Menschen sicherer machen.

Das Tool scheint auch in der Lage zu sein, eine größere Vielfalt an Bearbeitungen vorzunehmen, die es eines Tages ermöglichen könnten, die vielen genetischen Krankheiten zu behandeln, die Gen-Editoren bisher behindert haben. David Liu, ein chemischer Biologe am Broad Institute of MIT und Harvard in Cambridge, Massachusetts und Hauptautor der Studie, schätzt, dass Prime Editing Forschern helfen könnte, fast 90% der mehr als 75.000 krankheitsassoziierten DNA-Varianten in ClinVar, einer öffentlichen Datenbank, zu bekämpfen entwickelt von den US National Institutes of Health.

Die Spezifität der Veränderungen, zu denen dieses neueste Tool in der Lage ist, könnte es Forschern auch erleichtern, Krankheitsmodelle im Labor zu entwickeln oder die Funktion bestimmter Gene zu untersuchen, sagt Liu.“Es ist noch früh, aber die ersten Ergebnisse sehen fantastisch aus“, sagt Brittany Adamson, die DNA-Reparatur und Gen-Editing an der Princeton University in New Jersey studiert. „Du wirst viele Leute sehen, die es benutzen.“Prime Editing ist möglicherweise nicht in der Lage, die sehr großen DNA–Insertionen oder —deletionen durchzuführen, zu denen CRISPR-Cas9 in der Lage ist – daher ist es unwahrscheinlich, dass es das etablierte Editing-Tool vollständig ersetzt“, sagt der Molekularbiologe Erik Sontheimer von der University of Massachusetts Medical School in Worcester. Das liegt daran, dass für die Prime-Bearbeitung die Änderung, die ein Forscher vornehmen möchte, auf einem RNA-Strang kodiert ist. Je länger dieser Strang wird, desto wahrscheinlicher ist es, dass er durch Enzyme in der Zelle beschädigt wird.

„Für verschiedene Arten von Bearbeitungen werden immer noch verschiedene Varianten von Genom-Editing-Plattformen benötigt“, sagt Sontheimer.Aber Prime Editing scheint präziser und vielseitiger zu sein als andere CRISPR-Alternativen, die bisher entwickelt wurden. Dazu gehören modifizierte Versionen von CRISPR-Cas9, die es Forschern ermöglichen, einen DNA-Buchstaben gegen einen anderen auszutauschen, und ältere Werkzeuge wie Zinkfinger-Nukleasen, die schwer auf jede gewünschte Bearbeitung zuzuschneiden sind.

Freiheit durch Kontrolle

CRISPR–Cas9 und Prime Editing arbeiten beide, indem sie DNA an einem bestimmten Punkt im Genom schneiden. CRISPR-Cas9 bricht beide Stränge der DNA-Doppelhelix und verlässt sich dann auf das zelleigene Reparatursystem, um den Schaden zu reparieren und die Änderungen vorzunehmen. Dieses Reparatursystem ist jedoch unzuverlässig und kann DNA-Buchstaben an den Stellen einfügen oder löschen, an denen das Genom geschnitten wurde. Dies kann zu einer unkontrollierbaren Mischung von Änderungen führen, die zwischen den Zellen variieren.Darüber hinaus, auch wenn Forscher eine Vorlage enthalten, wie das Genom bearbeitet wird, ist das DNA-Reparatursystem in den meisten Zellen viel wahrscheinlicher, diese kleinen, zufälligen Insertionen oder Deletionen zu machen, als eine spezifische DNA-Sequenz zum Genom hinzuzufügen. Das macht es schwierig — und in einigen Fällen fast unmöglich – für Forscher, CRISPR-Cas9 zu verwenden, um ein Stück DNA mit einer Sequenz ihrer Wahl zu überschreiben.

Prime Editing umgeht diese Probleme (siehe ‚Precision Editor‘). Obwohl es Cas9 auch verwendet, um spezifische DNA-Sequenzen zu erkennen – genau wie CRISPR—Cas9 -, wird das Cas9-Enzym im Prime-Editing-Tool so modifiziert, dass es nur einen DNA-Strang erkennt. Dann macht ein zweites Enzym namens reverse Transkriptase, das von einem RNA-Strang geleitet wird, die Änderungen an der Stelle des Schnitts.

Die Prime—Editing—Enzyme müssen nicht beide DNA-Stränge brechen, um Änderungen vorzunehmen, so dass sich die Forscher nicht auf das DNA-Reparatursystem der Zelle verlassen müssen, das sie nicht kontrollieren können, um die Änderungen, die sie wollen. Dies bedeutet, dass Prime Editing die Entwicklung von Behandlungen für genetische Krankheiten ermöglichen könnte, die durch Mutationen verursacht werden, die mit vorhandenen Gen-Editing-Tools nicht leicht angegangen werden können.

Ein Mehrzweckwerkzeug

Früher dachten Forscher, einschließlich Liu, dass sie Gen-Editing-Tools entwickeln müssten, die für jede Kategorie von Änderungen spezifisch sind, die sie in einem Genom vornehmen wollten: Insertionen, Deletionen oder DNA-Buchstabenersatz. Und die Möglichkeiten waren begrenzt, wenn es darum ging, präzise Substitutionen vorzunehmen.Eine ältere Technik namens Base Editing, die in ihrer Präzision mit Prime Editing vergleichbar ist, wandelt einen DNA—Buchstaben chemisch direkt in einen anderen um – etwas, was CRISPR—Cas9 nicht kann – wie zum Beispiel die Umwandlung eines T in ein A oder ein G in ein C, ohne beide DNA-Stränge zu brechen2. Das von Liu entwickelte Base-Editing könnte nützlich sein, um einige genetische Krankheiten zu korrigieren, die durch Mutationen mit einem Buchstaben verursacht werden, einschließlich der häufigsten Form der Sichelzellenanämie.Aber Base-Editing kann bei genetischen Störungen, die durch Mutationen mit mehreren Buchstaben verursacht werden, wie der Tay-Sachs–Krankheit, einer normalerweise tödlichen Krankheit, die typischerweise durch das Einfügen von vier DNA-Buchstaben in das HEXA-Gen verursacht wird, nicht helfen.Also machten sich Liu und seine Kollegen daran, ein präzises Gen-Editing-Tool zu entwickeln, das den Forschern die Flexibilität und Kontrolle gab, mehrere Arten von Edits durchzuführen, ohne maßgeschneiderte Systeme erstellen zu müssen. Im Jahr 2018 traf das Team auf Prime.: eine Kombination von Enzymen, einschließlich eines modifizierten Cas9-Enzyms, das einzelne DNA-Buchstaben ändern, Buchstaben löschen oder eine Reihe von Buchstaben in ein Genom einfügen kann, mit minimaler Schädigung der DNA-Stränge.

„Es ist fantastisch“, sagt Sontheimer. „Die Breite der Mutationen, die eingeführt werden können, ist einer der größten Fortschritte. Das ist riesig.“

Aber Lius Team und andere müssen nun sorgfältig prüfen, wie gut das System in einer Vielzahl von Zellen und Organismen funktioniert. „Diese erste Studie ist nur der Anfang – und nicht das Ende – eines langjährigen Strebens in den Lebenswissenschaften, jede DNA-Veränderung an jeder Position in einem Organismus vornehmen zu können“, sagt Liu.