Super-exakt nytt CRISPR-verktyg kan ta itu med en mängd genetiska sjukdomar

För all den lätthet med vilken det vildt populära CRISPR–Cas9-genredigeringsverktyget förändrar genom, är det fortfarande något klumpigt och benäget för fel och oavsiktliga effekter. Nu erbjuder ett nyligen utvecklat alternativ större kontroll över genomredigeringar — ett framsteg som kan vara särskilt viktigt för att utveckla genterapier.

den alternativa metoden, kallad prime editing, förbättrar chansen att forskare kommer att sluta med bara de ändringar de vill ha, istället för en blandning av förändringar som de inte kan förutsäga. Verktyget, som beskrivs i en studie publicerad den 21 oktober i Nature1, minskar också de ’off-target’–effekter som är en viktig utmaning för vissa tillämpningar av standard CRISPR-Cas9-systemet. Det kan göra prime-editing-baserade genterapier säkrare för användning hos människor.

verktyget verkar också kunna göra ett större antal redigeringar, vilket en dag kan tillåta att det används för att behandla de många genetiska sjukdomar som hittills har stymied genredigerare. David Liu, en kemisk biolog vid Broad Institute of MIT och Harvard i Cambridge, Massachusetts och ledande studieförfattare, uppskattar att prime redigering kan hjälpa forskare att ta itu med nästan 90% av de mer än 75,000 sjukdomsassocierade DNA-varianterna som anges i ClinVar, en offentlig databas utvecklad av US National Institutes of Health.

specificiteten av de förändringar som det senaste verktyget kan göra kan också göra det lättare för forskare att utveckla sjukdomsmodeller i laboratoriet eller att studera specifika geners funktion, säger Liu.

”det är tidiga dagar, men de första resultaten ser fantastiska ut”, säger Brittany Adamson, som studerar DNA-reparation och genredigering vid Princeton University i New Jersey. ”Du kommer att se många människor som använder det.”

Prime editing kanske inte kan göra de mycket stora DNA–infogningarna eller borttagningarna som CRISPR — Cas9 kan-så det är osannolikt att helt ersätta det väletablerade redigeringsverktyget, säger molekylärbiologen Erik Sontheimer vid University of Massachusetts Medical School i Worcester. Det beror på att för prime redigering, den förändring som en forskare vill göra är kodad på en sträng av RNA. Ju längre strängen blir, desto mer sannolikt är det att skadas av enzymer i cellen.

”olika smaker av genomredigeringsplattformar kommer fortfarande att behövas för olika typer av redigeringar”, säger Sontheimer.

men prime-redigering verkar vara mer exakt och mångsidig än andra CRISPR-alternativ som hittills utvecklats. Dessa inkluderar modifierade versioner av CRISPR-Cas9 som gör det möjligt för forskare att byta ut ett DNA-brev mot ett annat och äldre verktyg som zinkfingernukleaser, som är svåra att skräddarsy för varje önskad redigering.

frihet genom kontroll

CRISPR–Cas9 och primredigering fungerar båda genom att skära DNA vid en specifik punkt i genomet. CRISPR-Cas9 bryter båda strängarna i DNA – dubbelspiralen och förlitar sig sedan på cellens eget reparationssystem för att lappa skadan och göra ändringarna. Men det reparationssystemet är opålitligt och kan infoga eller ta bort DNA-bokstäver vid de punkter där genomet skars. Detta kan leda till en okontrollerbar blandning av redigeringar som varierar mellan celler.dessutom, även när forskare inkluderar en mall för att styra hur genomet redigeras, är DNA-reparationssystemet i de flesta celler mycket mer sannolikt att göra de små, slumpmässiga infogningarna eller borttagningarna än att lägga till en specifik DNA-sekvens till genomet. Det gör det svårt — och i vissa fall nästan omöjligt — för forskare att använda CRISPR–Cas9 för att skriva över en bit DNA med en sekvens som de väljer.

Prime redigering kringgår dessa problem (se ’Precision editor’). Även om det också använder Cas9 för att känna igen specifika DNA — sekvenser–precis som CRISPR — Cas9 gör-är Cas9-enzymet i det främsta redigeringsverktyget modifierat för att bara nick en DNA-sträng. Sedan gör ett andra enzym som kallas omvänd transkriptas och styrs av en RNA-sträng, redigeringarna på skärplatsen.

de främsta redigeringsenzymerna behöver inte bryta båda DNA — strängarna för att göra förändringar, vilket frigör forskare från att förlita sig på cellens DNA — reparationssystem-vilket de inte behöver kan inte kontrollera-för att göra de ändringar som de vill ha. Detta innebär att primärredigering kan möjliggöra utveckling av behandlingar för genetiska sjukdomar orsakade av mutationer som inte lätt hanteras av befintliga genredigeringsverktyg.

ett mångsidigt verktyg

tidigare trodde forskare, inklusive Liu, att de skulle behöva utveckla genredigeringsverktyg specifika för varje kategori av förändring de ville göra i ett genom: insertioner, deletioner eller DNA-bokstavssubstitutioner. Och alternativen var begränsade när det gällde att göra exakta substitutioner.

en äldre teknik, kallad basredigering, som är jämförbar i precision med primärredigering, omvandlar kemiskt ett DNA-brev direkt till ett annat — något som CRISPR–Cas9 inte kan göra — som att konvertera en T till en A eller en G till en C, utan att bryta båda DNA-strängarna2. Utvecklad av Liu kan basredigering vara användbar för att korrigera vissa genetiska sjukdomar orsakade av mutationer med en bokstav, inklusive den vanligaste formen av sicklecellanemi.

men basredigering kan inte hjälpa till med genetiska störningar orsakade av mutationer med flera bokstäver, såsom Tay-Sachs sjukdom, en vanligtvis dödlig sjukdom som vanligtvis orsakas av införandet av fyra DNA–bokstäver i HEXA-genen.så Liu och hans kollegor bestämde sig för att skapa ett exakt genredigeringsverktyg som gav forskare flexibilitet och kontroll för att göra flera typer av redigeringar utan att behöva skapa skräddarsydda system. År 2018 slog laget på prime redigering: en kombination av enzymer, inklusive ett modifierat Cas9-enzym, som kan ändra enskilda DNA-bokstäver, radera bokstäver eller infoga en serie bokstäver i ett Genom, med minimal skada på DNA-strängar.

”det är fantastiskt”, säger Sontheimer. ”Bredden av de mutationer som kan introduceras är en av de största framstegen. Det är enormt.”

men lius team och andra kommer nu att behöva noggrant utvärdera hur väl systemet fungerar i en mängd olika celler och organismer. ”Den här första studien är bara början-snarare än slutet — av en långvarig strävan inom biovetenskapen att kunna göra någon DNA-förändring i vilken position som helst i en organism”, säger Liu.