Verbessertes Prime-Editing-System nimmt gengroße Änderungen in menschlichen Zellen auf therapeutischem Niveau vor

Wissenschaftler am Broad Institute des MIT und in Harvard haben eine Technologie zur Genomeditierung verbessert, mit der es nun möglich ist, ganze Gene in das Genom menschlicher Zellen so effizient einzufügen oder zu ersetzen, dass sie möglicherweise für therapeutische Anwendungen von Nutzen ist.

Der Fortschritt aus dem Labor von David Liu, Mitglied des Broad-Kerninstituts, könnte Forschern eines Tages dabei helfen, eine einzige Gentherapie für Krankheiten wie Mukoviszidose zu entwickeln, die durch eine von Hunderten oder Tausenden verschiedener Mutationen in einem Gen verursacht werden. Mit diesem neuen Ansatz würden sie eine gesunde Kopie des Gens an seiner natürlichen Stelle im Genom einfügen, anstatt für jede Mutation eine andere Gentherapie mit anderen Gen-Editierungsansätzen entwickeln zu müssen, die kleinere Änderungen vornehmen.

Die neue Methode verwendet eine Kombination aus Prime Editing, das eine breite Palette von Editierungen bis zu etwa 100 oder 200 Basenpaaren direkt vornehmen kann, und neu entwickelten Rekombinase-Enzymen, die effizient große DNA-Stücke mit einer Länge von Tausenden von Basenpaaren an bestimmten Stellen im Genom einfügen. Dieses System, genannt eePASSIGE, kann Gen-Editierungen um ein Vielfaches effizienter vornehmen als andere ähnliche Methoden und wird in Natur Biomedizintechnik.

„Unseres Wissens ist dies eines der ersten Beispiele für eine programmierbare, gezielte Genintegration in Säugetierzellen, das die Hauptkriterien für eine potenzielle therapeutische Relevanz erfüllt“, sagte Liu, der Hauptautor der Studie, Richard-Merkin-Professor und Direktor des Merkin Institute of Transformative Technologies in Healthcare am Broad, Professor an der Harvard University und Forscher am Howard Hughes Medical Institute.

„Bei diesen Effizienzen erwarten wir, dass viele, wenn nicht die meisten genetischen Funktionsverlusterkrankungen gelindert oder gerettet werden könnten, wenn die Effizienz, die wir in kultivierten menschlichen Zellen beobachten, auf eine klinische Umgebung übertragen werden kann.“

Die Doktorandin Smriti Pandey und der Postdoktorand Daniel Gao, beide in Lius Gruppe, waren Co-Erstautoren der Studie, die auch eine Zusammenarbeit mit Mark Osborns Gruppe an der University of Minnesota und Elliot Chaikofs Gruppe am Beth Israel Deaconess Medical Center war.

„Dieses System bietet vielversprechende Möglichkeiten für Zelltherapien, bei denen es dazu verwendet werden kann, Gene präzise in Zellen außerhalb des Körpers einzufügen, bevor sie Patienten verabreicht werden, um unter anderem Krankheiten zu behandeln“, sagte Pandey.

„Es ist spannend, die hohe Effizienz und Vielseitigkeit von eePASSIGE zu sehen, die eine neue Kategorie 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.“

Wichtige Verbesserungen

Viele Wissenschaftler haben mithilfe der Prime Editing-Methode effizient Änderungen an der DNA vorgenommen, die bis zu Dutzende von Basenpaaren lang sind. Damit lassen sich die meisten bekannten pathogenen Mutationen korrigieren. Aber die Einführung ganzer gesunder Gene, die oft Tausende von Basenpaaren lang sind, an ihren ursprünglichen Platz im Genom ist schon lange ein Ziel der Gen-Editierungs-Forschung.

Dadurch könnten nicht nur potenziell viele Patienten unabhängig von der Mutation eines krankheitsverursachenden Gens behandelt werden, sondern auch die umgebenden DNA-Sequenzen würden erhalten bleiben. Dies würde die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass das neu installierte Gen richtig reguliert und nicht zu stark, zu wenig oder zum falschen Zeitpunkt exprimiert wird.

Im Jahr 2021 meldete Lius Labor einen wichtigen Schritt in Richtung dieses Ziels und entwickelte einen Prime-Editing-Ansatz namens twinPE, der Rekombinase-„Landestellen“ im Genom installierte und dann natürliche Rekombinase-Enzyme wie Bxb1 nutzte, um die Einfügung neuer DNA in die prime-editierten Zielstellen zu katalysieren.

Das von Liu mitgegründete Biotechnologieunternehmen Prime Medicine begann schon bald damit, diese Technologie, die es PASSIGE (prime-editing-assisted site-specific integrase gene editing) nannte, zur Entwicklung von Behandlungsmethoden für genetische Erkrankungen einzusetzen.

PASSIGE installiert Editierungen nur in einem bescheidenen Teil der Zellen, was ausreicht, um einige, aber wahrscheinlich nicht die meisten genetischen Krankheiten zu behandeln, die aus dem Verlust eines funktionierenden Gens resultieren. Daher machte sich Lius Team in der heute vorgestellten neuen Arbeit daran, die Editierungseffizienz von PASSIGE zu steigern. Sie fanden heraus, dass das Rekombinase-Enzym Bxb1 der Übeltäter war, der die Effizienz von PASSIGE einschränkte. Sie verwendeten dann ein zuvor von Lius Gruppe entwickeltes Tool namens PACE (phage-assisted continuous evolution), um im Labor schnell effizientere Versionen von Bxb1 zu entwickeln.

Die daraus resultierende neu entwickelte und konstruierte Bxb1-Variante (eeBxb1) verbesserte die eePASSIGE-Methode dahingehend, dass durchschnittlich 30 % der gengroßen Fracht in Maus- und Menschenzellen integriert werden konnten, viermal mehr als die ursprüngliche Technik und etwa 16-mal mehr als eine andere, kürzlich veröffentlichte Methode namens PASTE.

„Das eePASSIGE-System bietet eine vielversprechende Grundlage für Studien, bei denen gesunde Genkopien an Stellen unserer Wahl in Zell- und Tiermodellen genetischer Erkrankungen integriert werden, um Funktionsverlusterkrankungen zu behandeln“, sagte Liu. „Wir hoffen, dass sich dieses System als wichtiger Schritt zur Realisierung der Vorteile einer gezielten Genintegration für Patienten erweisen wird.“

Mit diesem Ziel vor Augen arbeitet Lius Team nun daran, eePASSIGE mit Trägersystemen wie künstlich hergestellten virusähnlichen Partikeln (eVLPs) zu kombinieren, um möglicherweise die Hürden zu überwinden, die den therapeutischen Einsatz von Genom-Editoren im Körper bisher eingeschränkt haben.