Az MIT új precíziós génszerkesztő eszköze átalakíthatja az orvostudományt
Az elsődleges szerkesztésnek nevezett génszerkesztési módszer egy napon számos betegség kezelésében segíthet, mivel a hibás géneket egészségesekké alakítja át. A technika azonban néha apró hibákat visz be a DNS-be, amelyek esetenként károsak lehetnek. Az MIT kutatói most felfedezték, hogyan lehet ezeket a hibákat jelentősen csökkenteni a szerkesztési folyamatot irányító kulcsfehérjék megváltoztatásával. Úgy vélik, hogy ez a fejlesztés biztonságosabbá és hatékonyabbá teheti a génterápiát a betegségek széles körének kezelésére.
„Ez a tanulmány egy új megközelítést vázol fel a génszerkesztés elvégzésére, amely nem bonyolítja a beviteli rendszert és nem ad hozzá további lépéseket, viszont sokkal pontosabb szerkesztést eredményez, kevesebb nem kívánt mutációval” – mondja Phillip Sharp, az MIT Institute Emeritus professzora, az MIT Koch Institute for Integrative Cancer Research tagja és a Nature folyóiratban megjelentúj tanulmány egyik vezető szerzője. A kutatást Vikash Chauhan, a Koch Intézet kutatója vezette.
Az MIT csapata a finomított módszerükkel a leggyakoribb szerkesztési típus esetében a hibák arányát a primer szerkesztésnél nagyjából minden hetedik szerkesztésből egyről körülbelül minden 101. szerkesztésre csökkentette. A precízebb szerkesztési módban a javulás 122-ből egyről 543-ból egyre csökkent. „Minden gyógyszer esetében azt szeretnénk, ha valami olyat kapnánk, ami hatékony, de a lehető legkevesebb mellékhatással jár” – mondja Robert Langer, az MIT David H. Koch Intézetének professzora, a Koch Intézet tagja és az új tanulmány egyik vezető szerzője. „Bármely betegség esetében, ahol genomszerkesztést végezhetünk, ez egy biztonságosabb, jobb módszer lenne”.
A hibalehetőségek
Az 1990-es években a korai génterápiás kutatások új gének sejtekbe történő bevitelére épültek, módosított vírusok segítségével. Később a tudósok olyan technikákat fejlesztettek ki, amelyek enzimeket, például cinkujj-nukleázokat használtak a gének közvetlen javítására. Ezek az enzimek működtek, de nehéz volt őket új DNS-célpontokra átdolgozni, ami lassúvá és nehézkessé tette a használatukat.
A cink-ujj nukleázok (zinc-finger nucleases, ZFN) olyan mesterségesen kialakított fúziós fehérjék, amelyek kétféle feladatot betöltő egységgel rendelkeznek. A cink-ujj fehérjestruktúrák felismernek egy meghatározott DNS-szekvenciát, és kötődésük szelektivitását több, általában 3–4 cink-ujj fehérjeegység együttese biztosíthatja. Egy kiválasztott célgén DNS-szekvenciáját informatikai programok analizálják, hogy meghatározzák azt a 9–12 bázisnyi DNS-régiót, amelyhez a cink-ujj egységek megbízhatóan kapcsolódni képesek. Ez az enzim képes a DNS-molekula mindkét szálán törést okozni. A ZFN komplexek egy jobb és egy bal oldali egységből állnak. Ezek között található egy 5–7 bázis nagyságú elválasztó szakasz, amely lehetővé teszi, hogy a két nukleáz alegység összekapcsolódhasson, és kialakulhasson a hasításra képes fehérjeszerkezet. Minden egyes célgén esetében külön tervezik meg a cink-ujj egységeket, hogy a DNS felnyitása a kívánt helyen következzen be.[1]
A CRISPR rendszer felfedezése a baktériumokban mindent megváltoztatott. A CRISPR egy Cas9 nevű enzimet használ, amelyet egy RNS-darab irányít, hogy egy adott helyen elvágja a DNS-t. A kutatók úgy alakították át, hogy egy RNS-alapú sablon segítségével eltávolíthassák a hibás DNS-szekvenciákat, vagy beilleszthessék a javítottakat, így a génszerkesztés gyorsabbá és rugalmasabbá vált.
2019-ben az MIT és a Harvard Broad Institute tudósai bemutatták a CRISPR egy új változatát, a prime szerkesztést, amely még pontosabb és kevésbé valószínű, hogy a genom nem kívánt területeit érinti. Nemrégiben a prime szerkesztést sikeresen alkalmazták egy krónikus granulomatosus betegségben (CGD) szenvedő beteg kezelésére, amely egy ritka betegség, amely gyengíti a fehérvérsejteket. „Elvileg ezt a technológiát végül sok száz genetikai betegség kezelésére lehetne használni, közvetlenül a sejtekben és szövetekben lévő apró mutációk kijavításával” – mondja Chauhan.
Az elsődleges szerkesztés egyik előnye, hogy nem kell kettős szálú vágást végezni a cél-DNS-ben. Ehelyett a Cas9 egy módosított változatát használja, amely csak az egyik komplementer szálat vágja el, és így egy rés nyílik, ahová egy új szekvencia illeszthető be. Az új szekvencia sablonjaként a primer szerkesztővel együtt szállított vezető RNS szolgál. Miután a javított szekvencia beillesztésre került, az eredeti DNS-szál helyébe kell lépnie. Ha a régi szál helyette visszacsatolódik, az új fragmentum néha rossz helyre kerülhet, ami nem kívánt hibákhoz vezethet.
E hibák többsége ártalmatlan, de ritka esetekben hozzájárulhatnak a tumor növekedéséhez vagy más egészségügyi problémákhoz. A jelenlegi elsődleges szerkesztési rendszerekben a hibaarány a szerkesztési módtól függően körülbelül 1/7 és 1/121 között lehet. „A mostani technológiák valóban sokkal jobbak, mint a korábbi génterápiás eszközök, de mindig van esély ezekre a nem szándékolt következményekre” – mondja Chauhan.
Precíz szerkesztés
Hogy csökkentsék ezeket a hibaarányokat, az MIT csapata úgy döntött, hogy kihasználnak egy jelenséget, amelyet egy 2023-as tanulmányban figyeltek meg. Abban a tanulmányban azt találták, hogy míg a Cas9 általában minden alkalommal ugyanazon a DNS-helyen vág, a fehérje egyes mutáns változatai lazítást mutatnak e korlátok tekintetében. Ahelyett, hogy mindig ugyanazon a helyen vágnának, ezek a Cas9 fehérjék néha egy vagy két bázissal arrébb vágnak a DNS-szekvencia mentén.
A kutatók felfedezték, hogy ez a lazítás a régi DNS-szálakat kevésbé stabillá teszi, így azok lebomlanak, ami megkönnyíti az új szálak hiba nélküli beépülését. Az új tanulmányban a kutatóknak sikerült azonosítaniuk a Cas9 olyan mutációit, amelyek a hibaarányt az eredeti érték 1/20-ára csökkentették. Ezután e mutációk párjainak kombinálásával olyan Cas9-szerkesztőt hoztak létre, amely még tovább, az eredeti érték 1/36-ára csökkentette a hibaarányt.
Hogy a szerkesztőket még pontosabbá tegyék, a kutatók az új Cas9 fehérjéket egy olyan elsődleges szerkesztő rendszerbe építették be, amely rendelkezik egy RNS-kötő fehérjével, amely hatékonyabban stabilizálja az RNS-sablon végeit. Ennek a végleges szerkesztőnek, amelyet a kutatók vPE-nek neveznek, a hibaaránya mindössze 1/60-a volt az eredetinek, 1/101 szerkesztésből 1/543 terjedt a különböző szerkesztési módok esetében. Ezeket a teszteket egér és emberi sejteken is elvégezték.
Az MIT csapata most azon dolgozik, hogy a Cas9 és az RNS-sablon további módosításával tovább javítsa a primer szerkesztők hatékonyságát. Azon is dolgoznak, hogyan lehet a szerkesztőket a test meghatározott szöveteibe juttatni, ami a génterápiában régóta fennálló kihívás.
Azt is remélik, hogy más laboratóriumok is elkezdik majd használni az új prímszerkesztési megközelítést a kutatásaikban. A prímszerkesztőket általában számos különböző kérdés feltárására használják, többek között arra, hogyan fejlődnek a szövetek, hogyan alakulnak a rákos sejtek populációi, és hogyan reagálnak a sejtek a gyógyszeres kezelésre.
„A genomszerkesztőket széles körben használják a kutatólaboratóriumokban” – mondja Chauhan. „Tehát a terápiás aspektus izgalmas, de nagyon izgatottak vagyunk, hogy az emberek hogyan kezdik el integrálni szerkesztőinket a kutatási munkafolyamatokba.”(Forrás: sciencedaily)