Förbättrat prime editing-system gör ändringar i genstorlek i mänskliga celler på terapeutiska nivåer

by Albert
Kredit: AI-genererad bild

Forskare vid Broad Institute of MIT och Harvard har förbättrat en genmodifieringsteknik som nu kan infoga eller ersätta hela gener i arvsmassan i mänskliga celler tillräckligt effektivt för att vara potentiellt användbar för terapeutiska tillämpningar.

Framsteget, från laboratoriet hos David Liu, medlem av Broad Core Institute, kan en dag hjälpa forskare att utveckla en enda genterapi för sjukdomar som cystisk fibros som orsakas av en av hundratals eller tusentals olika mutationer i en gen. Med den nya metoden skulle man kunna sätta in en frisk kopia av genen på dess ursprungliga plats i arvsmassan, istället för att behöva skapa en ny genterapi för att korrigera varje mutation med hjälp av andra metoder för genmodifiering som gör mindre ändringar.

Den nya metoden använder en kombination av prime editing, som direkt kan göra ett stort antal ändringar på upp till cirka 100 eller 200 baspar, och nyutvecklade rekombinasenzymer som effektivt sätter in stora DNA-bitar på tusentals baspar på specifika platser i arvsmassan. Detta system, som kallas eePASSIGE, kan göra ändringar i genstorlek flera gånger effektivare än andra liknande metoder och rapporteras i Nature Biomedical Engineering.

”Såvitt vi vet är detta ett av de första exemplen på programmerbar riktad genintegration i däggdjursceller som uppfyller de viktigaste kriterierna för potentiell terapeutisk relevans”, säger Liu, som är huvudförfattare till studien, Richard Merkin Professor och chef för Merkin Institute of Transformative Technologies in Healthcare vid Broad, professor vid Harvard University och forskare vid Howard Hughes Medical Institute.

”Med denna effektivitet förväntar vi oss att många, om inte de flesta, genetiska sjukdomar med förlust av funktion skulle kunna förbättras eller räddas, om den effektivitet som vi observerar i odlade mänskliga celler kan överföras till en klinisk miljö.”

Doktoranden Smriti Pandey och postdoktorn Daniel Gao, som båda ingår i Lius grupp, var medförfattare till studien, som också var ett samarbete med Mark Osborns grupp vid University of Minnesota och Elliot Chaikofs grupp vid Beth Israel Deaconess Medical Center.

”Det här systemet erbjuder lovande möjligheter för cellterapier där det bland annat kan användas för att exakt föra in gener i celler utanför kroppen innan de administreras till patienter för att behandla sjukdomar”, säger Pandey.

”Det är spännande att se den höga effektiviteten och mångsidigheten hos eePASSIGE, som kan möjliggöra en ny kategori av genomiska läkemedel”, tillade Gao. ”Vi hoppas också att det kommer att bli ett verktyg som forskare från hela forskarsamhället kan använda för att studera grundläggande biologiska frågor.”

Prime-förbättringar

Många forskare har använt prime editing för att effektivt installera förändringar i DNA som är upp till tiotals baspar långa, vilket är tillräckligt för att korrigera de allra flesta kända sjukdomsframkallande mutationer. Men att införa hela friska gener, som ofta är tusentals baspar långa, på deras ursprungliga plats i genomet har länge varit ett mål för genredigeringsfältet.

Detta skulle inte bara potentiellt kunna behandla många patienter oavsett vilken mutation de har i en sjukdomsframkallande gen, utan det skulle också bevara de omgivande DNA-sekvenserna, vilket skulle öka sannolikheten för att den nyinstallerade genen regleras korrekt, snarare än att uttryckas för mycket, för lite eller vid fel tidpunkt.

År 2021 rapporterade Lius laboratorium ett viktigt steg mot detta mål och utvecklade en prime editing-metod kallad twinPE som installerade rekombinas-”landningsplatser” i genomet och sedan använde naturliga rekombinasenzymer som Bxb1 för att katalysera införandet av nytt DNA i de prime-redigerade målplatserna.

Bioteknikföretaget Prime Medicine, som Liu var med och grundade, började snart använda denna teknik, som de kallade PASSIGE (prime-editing-assisted site-specific integrase gene editing), för att utveckla behandlingar mot genetiska sjukdomar.

PASSIGE installerar redigeringar i endast en liten del av cellerna, vilket är tillräckligt för att behandla vissa men förmodligen inte de flesta genetiska sjukdomar som beror på förlusten av en fungerande gen. Så Lius team, i det nya arbetet som rapporteras idag, bestämde sig för att öka PASSIGEs redigeringseffektivitet. De fann att rekombinasenzymet Bxb1 var boven i dramat när det gällde att begränsa PASSIGE:s effektivitet. De använde sedan ett verktyg som tidigare utvecklats av Lius grupp och som kallas PACE (phage-assisted continuous evolution) för att snabbt utveckla effektivare versioner av Bxb1 i labbet.

Den resulterande nyutvecklade och konstruerade Bxb1-varianten (eeBxb1) förbättrade eePASSIGE-metoden för att integrera i genomsnitt 30% av genstor last i mus- och människoceller, fyra gånger mer än den ursprungliga tekniken och cirka 16 gånger mer än en annan nyligen publicerad metod som kallas PASTE.

”eePASSIGE-systemet utgör en lovande grund för studier där friska genkopior integreras på platser som vi själva väljer i cell- och djurmodeller av genetiska sjukdomar för att behandla funktionsförluster”, säger Liu. ”Vi hoppas att detta system kommer att visa sig vara ett viktigt steg mot att förverkliga fördelarna med riktad genintegration för patienterna.”

Med detta mål i åtanke arbetar Lius team nu med att kombinera eePASSIGE med leveranssystem som t.ex. konstruerade virusliknande partiklar (eVLP) som kan övervinna de hinder som traditionellt har begränsat terapeutisk leverans av genredaktörer i kroppen.

Ytterligare information: Pandey S, Gao XD, et al. Efficient site-specific integration of large genes in mammalian cells via continuously evolved recombinases and prime editing, Nature Biomedical Engineering (2024). DOI: 10.1038/s41551-024-01227-1

Related Articles

Leave a Comment