Die vollständige Einfügung von Genen in menschliche Zellen ist jetzt möglich

Die Gen-Editing-Technologie verwendet Primer-Editoren zusammen mit fortschrittlichen Enzymen, die als Rekombinasen bekannt sind. Dieser Ansatz hat das Potenzial, zu universellen Gentherapien zu führen, die bei Erkrankungen wie Mukoviszidose wirksam sind.

Forscher am Broad Institute des MIT und der Harvard University verfügen über eine fortschrittliche Gen-Editing-Technologie, mit der nun ganze Gene effizient in das Genom menschlicher Zellen eingefügt oder ersetzt werden können, wodurch sie für therapeutische Zwecke geeignet werden.

Dieser Fortschritt, der im Labor von David Liu, Mitglied des Broadcore Institute, erzielt wurde, könnte Forschern eines Tages dabei helfen, eine einzige Gentherapie für Krankheiten wie Mukoviszidose zu entwickeln, die durch eine von Hunderten oder Tausenden verschiedener Mutationen im Gen verursacht werden. Mit diesem neuen Ansatz werden sie in der Lage sein, eine gesunde Kopie eines Gens an seiner ursprünglichen Stelle im Genom einzufügen, anstatt mit anderen Genbearbeitungsansätzen, die kleinere Modifikationen vornehmen, eine andere Gentherapie entwickeln zu müssen, um jede Mutation zu korrigieren.

Die neue Methode nutzt eine Kombination aus Prime-Editing, das direkt eine Vielzahl von Modifikationen von bis zu etwa 100 oder 200 Basenpaaren vornehmen kann, und neu entwickelten Rekombinationsenzymen, die große Zellstücke effizient einfügen. DNA Tausende Basenpaare lang an bestimmten Stellen im Genom. Dieses System mit dem Namen eePASSIGE kann Änderungen in der Gengröße um ein Vielfaches effizienter durchführen als andere ähnliche Methoden und wird in beschrieben Natur der biomedizinischen Technik.

„Nach unserem Kenntnisstand ist dies eines der ersten Beispiele einer programmierbaren gezielten Genintegration in Säugetierzellen, das Schlüsselkriterien potenzieller therapeutischer Bedeutung erfüllt“, sagte Liu, Hauptautor der Studie, Richard Mirkin-Professor und Direktor des UCLA Research Center . Mirkin, Professor für transformative Technologien im Gesundheitswesen an der Broad University, ist Professor an der Harvard University und Forscher am Howard Hughes Medical Institute. „Angesichts dieser Effizienz gehen wir davon aus, dass viele, wenn nicht die meisten genetischen Erkrankungen mit Funktionsverlust gelindert oder gerettet werden könnten, wenn die Effizienz, die wir in kultivierten menschlichen Zellen beobachten, in die klinische Umgebung übertragen werden kann.“

Die Doktorandin Smriti Pandey und der Postdoktorand Daniel Zhao, beide in Lius Gruppe, waren Co-Autoren der Studie, die ebenfalls eine Zusammenarbeit mit Mark Osbornes Gruppe an der University of Minnesota und Eliot Chekovs Gruppe am Beth Israel Deaconess Medical Center war.

„Dieses System bietet vielversprechende Möglichkeiten für Zelltherapien, da es dazu verwendet werden kann, Gene präzise in Zellen außerhalb des Körpers einzuführen, bevor sie unter anderem an Patienten zur Behandlung von Krankheiten weitergegeben werden“, sagte Pandey.

„Es ist spannend, die hohe Effizienz und Vielseitigkeit von eePASSIGE zu sehen, die eine neue Klasse genomischer Medikamente ermöglichen könnte“, fügte Gao hinzu. „Wir hoffen auch, dass es ein Werkzeug sein wird, mit dem Wissenschaftler aus der gesamten Forschungsgemeinschaft grundlegende biologische Fragen untersuchen können.“

Wesentliche Verbesserungen

Viele Wissenschaftler haben Prime Editing eingesetzt, um Veränderungen in der DNA mit einer Länge von bis zu mehreren zehn Basenpaaren effizient zu stabilisieren, was ausreicht, um die überwiegende Mehrheit der bekannten krankheitsverursachenden Mutationen zu korrigieren. Doch das Einfügen vollständiger intakter Gene, die oft Tausende von Basenpaaren lang sind, an ihre ursprüngliche Stelle im Genom ist seit langem ein Ziel der Genbearbeitung. Dies könnte nicht nur viele Patienten heilen, unabhängig davon, welche Mutation sie im krankheitsverursachenden Gen haben, sondern es würde auch die umgebende DNA-Sequenz erhalten, wodurch es wahrscheinlicher wird, dass das neu gefundene Gen ordnungsgemäß reguliert und nicht überexprimiert wird. Oder zu wenig oder zur falschen Zeit.

Im Jahr 2021 meldete Lius Labor einen großen Schritt in Richtung dieses Ziels und entwickelte einen Schlüsselbearbeitungsansatz namens TwinPE, der rekombinante „Landestellen“ im Genom installierte und dann natürliche rekombinante Enzyme wie Bxb1 nutzte, um die Insertion neuer DNA in die Primärzelle zu katalysieren Zelle. Bearbeitete Zielseiten.

Bald begann das von Liu mitbegründete Biotech-Unternehmen Prime Medicine, die Technologie, die sie PASSIGE (primerunterstützte integrative ortsspezifische Genbearbeitung) nannten, zur Entwicklung von Behandlungen für genetisch bedingte Krankheiten zu nutzen.

PASSIGE installiert die Modifikationen nur in einem Bruchteil der Zellen, genug, um einige, aber vielleicht nicht die meisten genetischen Krankheiten zu behandeln, die aus dem Verlust eines funktionierenden Gens resultieren. In der heute vorgestellten neuen Arbeit machte sich Lius Team daher daran, die Bearbeitungseffizienz von PASSIGE zu verbessern. Sie fanden heraus, dass das rekombinante Enzym Bxb1 der Grund für die Verringerung der PASSIGE-Effizienz war. Anschließend verwendeten sie ein zuvor von Lius Gruppe entwickeltes Tool namens ein Schritt (Phagen-unterstützte kontinuierliche Evolution), um im Labor schnell effizientere Versionen von Bxb1 zu entwickeln.

Eine neu entwickelte und konstruierte Bxb1-Variante (eeBxb1) hat die eePASSIGE-Methode verbessert, um durchschnittlich 30 Prozent mehr Ladung in Gengröße in Mäuse- und menschliche Zellen einzubauen, viermal mehr als die ursprüngliche Technologie und etwa 16-mal mehr als eine andere kürzlich veröffentlichte Methode Spleiß genannt.

„Das eePASSIGE-System bietet eine vielversprechende Grundlage für Studien, die intakte Gentranskripte in unsere ausgewählten Loci in Zell- und Tiermodellen genetischer Krankheiten integrieren, um Funktionsverluststörungen zu behandeln“, sagte Liu. „Wir hoffen, dass sich dieses System als wichtiger Schritt erweisen wird, um den Patienten die Vorteile der gezielten Genintegration zugänglich zu machen.“

Mit diesem Ziel vor Augen arbeitet Lius Team nun daran, eePASSIGE mit Liefersystemen wie zu kombinieren Virusähnliche Partikel (eVLPs), die möglicherweise überwunden werden Hürden Dies hat traditionell die therapeutische Verabreichung von Gen-Editoren an den Körper eingeschränkt.

Referenz: „Effiziente ortsspezifische Integration großer Gene in Säugetierzellen durch sich ständig weiterentwickelnde Rekombinations- und Primer-Editing-Prozesse“ von Smriti Pandey, Shane D. Gao, Nicholas A. Krasnow, Amber McElroy, Y. Allen Tao, Jordyn E. Dobie, Benjamin J. Steinbeck, Julia McCreary, Sarah E. Pierce, Jacob Tollar, Torsten B. Meissner, Elliot L. Tschechow, Mark J. Osborne und David R. Löwe, 10. Juni 2024, Natur der biomedizinischen Technik.
doi: 10.1038/s41551-024-01227-1

Diese Arbeit wurde teilweise unterstützt von Nationales GesundheitsinstitutDie Bill & Melinda Gates Foundation und das Howard Hughes Medical Institute.