Полная вставка генов теперь возможна в клетки человека

Исследователи из Института Броуда усовершенствовали редактирование генов, чтобы эффективно вставлять целые гены в клетки человека, открывая возможность моногенной терапии таких заболеваний, как муковисцидоз. Этот метод сочетает в себе первичное редактирование с новыми ферментами для повышения эффективности редактирования, что может произвести революцию в генной терапии.

Технология редактирования генов использует редакторы праймеров наряду с передовыми ферментами, известными как рекомбиназы. Этот подход потенциально может привести к созданию универсальной генной терапии, эффективной при таких заболеваниях, как муковисцидоз.

Исследователи из Института Броуда Массачусетского технологического института и Гарвардского университета разработали передовую технологию редактирования генов, которая теперь может эффективно вставлять или заменять целые гены в геномы клеток человека, что делает их пригодными для терапевтического использования.

Это достижение, сделанное в лаборатории члена Института Броадкора Дэвида Лю, может однажды помочь исследователям разработать единую генную терапию для таких заболеваний, как муковисцидоз, которые вызваны одной из сотен или тысяч различных мутаций в гене. Используя этот новый подход, они смогут вставить здоровую копию гена в его исходное место в геноме, вместо того, чтобы создавать другую генную терапию для исправления каждой мутации, используя другие подходы к редактированию генов, которые вносят меньшие модификации.

Новый метод использует комбинацию простого редактирования, которое позволяет напрямую вносить широкий спектр модификаций примерно до 100 или 200 пар оснований, и недавно разработанных ферментов рекомбинации, которые эффективно встраивают большие фрагменты клеток. ДНК Тысячи пар оснований длиной в определенных местах генома. Эта система, названная eePASSIGE, может выполнять редактирование размером с ген в несколько раз эффективнее, чем другие аналогичные методы. Природа биомедицинской инженерии.

«Насколько нам известно, это один из первых примеров программируемой целевой интеграции генов в клетках млекопитающих, которая отвечает ключевым критериям потенциальной терапевтической значимости», — сказал Лю, ведущий автор исследования, профессор Ричарда Миркина и директор Исследовательского центра Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. . Миркин, профессор трансформационных технологий в здравоохранении в Броуде, профессор Гарвардского университета и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза. «Учитывая эту эффективность, мы ожидаем, что многие, если не большинство, генетические заболевания с потерей функции могут быть улучшены или спасены, если эффективность, которую мы наблюдаем в культивируемых клетках человека, можно будет применить в клинических условиях».

Аспирант Смрити Панди и постдокторант Дэниел Чжао, оба из группы Лю, были соавторами исследования, которое также проводилось в сотрудничестве с группой Марка Осборна в Университете Миннесоты и группой Элиота Чехова в Медицинском центре Бет Исраэль Дьяконесса.

«Эта система открывает многообещающие возможности для клеточной терапии, поскольку ее можно использовать, помимо прочего, для точного введения генов в клетки вне организма, прежде чем передавать их пациентам для лечения заболеваний», — сказал Панди.

«Приятно видеть высокую эффективность и универсальность eePASSIGE, который может позволить создать новый класс геномных лекарств», — добавил Гао. «Мы также надеемся, что это станет инструментом, который ученые из всего исследовательского сообщества смогут использовать для изучения фундаментальных биологических вопросов».

Основные улучшения

Многие ученые использовали прайм-редактирование для эффективной стабилизации изменений в ДНК длиной до десятков пар оснований, что достаточно для исправления подавляющего большинства известных мутаций, вызывающих заболевания. Но вставка целых неповрежденных генов, часто длиной в тысячи пар оснований, в их исходное место в геноме была давней целью редактирования генов. Это не только могло бы вылечить многих пациентов, независимо от того, какая у них мутация в гене, вызывающем заболевание, но также сохранило бы окружающую последовательность ДНК, повышая вероятность того, что недавно обнаруженный ген будет правильно регулироваться, а не сверхэкспрессироваться. Или слишком мало, или не вовремя.

В 2021 году лаборатория Лю сообщила о важном шаге на пути к этой цели и разработала ключевой подход редактирования под названием TwinPE, который устанавливает рекомбинантные «места приземления» в геноме, а затем использует природные рекомбинантные ферменты, такие как Bxb1, для катализа встраивания новой ДНК в первичную ДНК. клетка. Отредактированы целевые сайты.

Вскоре биотехнологическая компания Prime Medicine, сооснователем которой является Лю, начала использовать технологию, которую они назвали PASSIGE (интегративное сайт-специфическое редактирование генов с помощью праймера), для разработки методов лечения генетических заболеваний.

PASSIGE вводит модификации лишь в небольшую часть клеток, достаточную для лечения некоторых, но, возможно, не большинства генетических заболеваний, возникающих в результате потери функционирующего гена. Итак, в новой работе, о которой сообщалось сегодня, команда Лю намеревалась повысить эффективность редактирования PASSIGE. Они обнаружили, что рекомбинантный фермент Bxb1 был причиной снижения эффективности PASSIGE. Затем они использовали инструмент, ранее разработанный группой Лю, под названием шаг (непрерывная эволюция с помощью фага) для быстрой разработки более эффективных версий Bxb1 в лаборатории.

Недавно разработанный и сконструированный вариант Bxb1 (eeBxb1) улучшил метод eePASSIGE, включив в клетки мыши и человека в среднем на 30 процентов больше груза размером с ген, что в четыре раза больше, чем в оригинальной технологии, и примерно в 16 раз больше, чем в другом недавно опубликованном методе. называется сращиванием.

«Система eePASSIGE обеспечивает многообещающую основу для исследований, которые интегрируют неповрежденные транскрипты генов в выбранные нами локусы на клеточных и животных моделях генетических заболеваний для лечения расстройств потери функции», — сказал Лю. «Мы надеемся, что эта система станет важным шагом на пути к предоставлению пациентам преимуществ целевой интеграции генов».

Помня об этой цели, команда Лю сейчас работает над объединением eePASSIGE с такими системами доставки, как Вирусоподобные частицы (eVLP), которые могут преодолеть барьеры Это традиционно ограничивало терапевтическую доставку генных редакторов в организм.

Ссылка: «Эффективная сайт-специфическая интеграция крупных генов в клетки млекопитающих посредством постоянно развивающихся процессов рекомбинации и редактирования праймеров», Смрити Панди, Чен Д. Гао, Николас А. Красноу, Эмбер МакЭлрой, Ю. Аллен Тао, Джордин Э. Дьюб, Бенджамин Дж. Стейнбек, Джулия МакКрири, Сара Э. Пирс, Джейкоб Толлар, Торстен Б. Мейснер, Эллиот Л. Чехов, Марк Дж. Осборн и Дэвид Р. Лев, 10 июня 2024 г., Природа биомедицинской инженерии.
дои: 10.1038/s41551-024-01227-1

Эту работу частично поддержали Национальные институты здоровьяФонд Билла и Мелинды Гейтс и Медицинский институт Говарда Хьюза.