Более точный способ редактирования генома | MIT News

Техника редактирования генома, известная как Prime Editing, обладает потенциалом для лечения многих заболеваний путем превращения ошибочных генов в функциональные. Тем не менее, процесс имеет небольшие шансы вставить ошибки, которые могут быть вредными.

Исследователи MIT теперь нашли способ значительно снизить частоту ошибок в первичном редактировании, используя модифицированные версии белков, участвующих в процессе. Исследователи говорят, что этот прогресс может облегчить разработку генной терапии для различных заболеваний.

«В этом документе описывается новый подход к редактированию генов, который не усложняет систему доставки и не добавляет дополнительных шагов, но приводит к гораздо более точным редактированию с меньшим количеством нежелательных мутаций», – говорит Филипп Шарп, почетный профессор института MIT, и один из старших авторов нового исследования.

Благодаря своей новой стратегии команда MIT смогла улучшить частоту ошибок первичных редакторов примерно от одной ошибки в семи редакторах до одного из 101 для наиболее используемого режима редактирования или из одной ошибки в 122 редакторах до одного из 543 для режима высокого определения.

«Для любого препарата вы хотите, что это то, что является эффективным, но с максимально возможными побочными эффектами», – говорит Роберт Лангер, профессор института Дэвида Х. Коха в MIT, член Института Коха и один из старших авторов нового исследования. «Для любого заболевания, где вы могли бы сделать редактирование генома, я думаю, что в конечном итоге это будет более безопасным, лучшим способом сделать это».

Ученый из института Института Кох Викаш Чаухан является ведущим автором бумагакоторый появляется сегодня в ПриродаПолем

Потенциал для ошибки

Самые ранние формы генной терапии, впервые протестированные в 1990 -х годах, включали в себя доставку новых генов, переносимых вирусами. Впоследствии были разработаны методы редактирования генов, в которых использовались такие ферменты, как нуклеазы цинковых пальцев для коррекции. Однако эти нуклеазы трудно спроектировать, поэтому адаптация их к нацеливанию на различные последовательности ДНК является очень трудоемким процессом.

Много лет спустя в бактериях была обнаружена система редактирования генома CRISPR, предлагая ученым потенциально гораздо более простой способ редактирования генома. Система CRISPR состоит из фермента, называемого CAS9, который может разрезать двухцепочечную ДНК в определенном месте, а также направляющую РНК, которая сообщает CAS9, где разрезать. Исследователи адаптировали этот подход для вырезания неисправных последовательностей генов или для вставки новых, после матрицы РНК.

В 2019 году исследователи из Института Массачусетского технологического института и Гарварда сообщили о разработке Prime Editing: новая система, основанная на CRISPR, которая является более точной и имеет меньше последствий от нецелевых. В недавнем исследовании сообщалось, что первоклассные редакторы были успешно использованы для лечения пациента с хроническим гранулематозным заболеванием (CGD), редким генетическим заболеванием, которое поражает лейкоциты.

«В принципе, эта технология в конечном итоге может быть использована для решения многих сотен генетических заболеваний путем исправления небольших мутаций непосредственно в клетках и тканях», – говорит Чаухан.

Одним из преимуществ правого редактирования является то, что он не требует двухцепочечного разреза в целевой ДНК. Вместо этого он использует модифицированную версию CAS9, которая разрезает только одну из дополнительных цепей, открывая лоскут, в который можно вставить новую последовательность. Руководство РНК, доставленная вместе с прайм -редактором, служит шаблоном для новой последовательности.

Однако, как только новая последовательность скопирована, она должна конкурировать со старой цепью ДНК, которая будет включена в геном. Если старая прядь выходит на новую, дополнительный лоскут новой ДНК, свисающей, может случайно включиться в другое место, что приводит к ошибкам.

Многие из этих ошибок могут быть относительно безвредны, но возможно, что некоторые могут в конечном итоге привести к развитию опухоли или другим осложнениям. С самой последней версией Prime Editors этот показатель ошибок варьируется от одного на семь изменений до одного на 121 редактирование для различных режимов редактирования.

«Технологии, которые у нас сейчас есть, на самом деле намного лучше, чем более ранние инструменты генной терапии, но всегда есть шанс для этих непреднамеренных последствий», – говорит Чаухан.

Точное редактирование

Чтобы снизить уровень ошибок, команда MIT решила воспользоваться феноменом, которое они наблюдали в исследовании 2023 года. В этой статье они обнаружили, что в то время как Cas9 обычно регулирует одно и то же место ДНК каждый раз, некоторые мутированные версии белка показывают расслабление этих ограничений. Вместо того, чтобы всегда сокращать одно и то же место, эти белки CAS9 иногда делали бы свою разрезу на одну или две основания дальше вдоль последовательности ДНК.

Это расслабление, обнаружили исследователи, делает старые пряди ДНК менее стабильными, поэтому они ухудшаются, что облегчает включение новых нитей без введения никаких ошибок.

В новом исследовании исследователи смогли идентифицировать мутации CAS9, которые снизили частоту ошибок до 1/20 его исходного значения. Затем, объединив пары этих мутаций, они создали редактор CAS9, который еще больше снизил частоту ошибок, до 1/36 в исходную сумму.

Чтобы сделать редакторов еще более точными, исследователи включили свои новые белки Cas9 в систему первичного редактирования, которая имеет РНК -связывающий белок, который более эффективно стабилизирует концы матрицы РНК. Этот последний редактор, который исследователи называют VPE, имел частоту ошибок только 1/60 от оригинала, от одного из 101 редактирования до одного из 543 редакций для различных режимов редактирования. Эти тесты проводились в клетках мыши и человека.

Команда MIT в настоящее время работает над дальнейшим повышением эффективности первичных редакторов за счет дальнейших модификаций CAS9 и шаблона РНК. Они также работают над способами доставки редакторов в конкретные ткани организма, что является давней проблемой в генной терапии.

Они также надеются, что другие лаборатории начнут использовать новый подход к редактированию Prime в своих исследованиях. Первичные редакторы обычно используются для изучения множества различных вопросов, включая то, как развиваются ткани, как развивается популяции раковых клеток, и как клетки реагируют на лечение с наркотиками.

«Редакторы генома широко используются в исследовательских лабораториях», – говорит Чаухан. «Таким образом, терапевтический аспект захватывающий, но мы очень рады видеть, как люди начинают интегрировать наших редакторов в свои исследовательские процессы».

Исследование финансировалось Фондом исследований наук о жизни, Национальным институтом биомедицинской визуализации и биоинженерии, Национальным институтом рака и грантом поддержки Института Коха (Core) от Национального института рака.