Seit seiner bahnbrechenden Entwicklung vor mehr als einem Jahrzehnt hat CRISPR die DNA-Bearbeitung in einem breiten Spektrum von Bereichen revolutioniert. Jetzt nutzen Wissenschaftler das immense Potenzial der Technologie für die menschliche Gesundheit und Krankheiten und zielen auf neue Therapien für eine Reihe von Erkrankungen ab, darunter Krebs, Bluterkrankungen und Diabetes.
Bei einigen Behandlungsmethoden werden Patienten mit CRISPR behandelte Zellen oder verpackte CRISPR-Komponenten injiziert, mit dem Ziel, erkrankte Zellen durch präzise Genbearbeitungen zu reparieren. Doch obwohl sich CRISPR als vielversprechendes Therapieinstrument der nächsten Generation erwiesen hat, sind die Weiterentwicklungen der Technologie immer noch unvollkommen. CRISPR-basierte Gentherapien können unbeabsichtigte, aber schädliche „Beobachter“-Änderungen an Teilen des Genoms verursachen, die manchmal zu neuen Krebsarten oder anderen Krankheiten führen.
Es werden Lösungen der nächsten Generation benötigt, um Wissenschaftlern dabei zu helfen, die komplexe biologische Dynamik hinter CRISPR-Bearbeitungen sowohl am Ziel als auch außerhalb des Ziels zu entschlüsseln. Doch die Landschaft für solche neuartigen Werkzeuge ist entmutigend, da komplizierte Körpergewebe Tausende verschiedener Zelltypen aufweisen und CRISPR-Bearbeitungen von vielen verschiedenen biologischen Signalwegen abhängen können.
Forscher der University of California in San Diego haben ein neues genetisches System entwickelt, um die zugrunde liegenden Mechanismen der CRISPR-basierten DNA-Reparaturergebnisse zu testen und zu analysieren. Wie beschrieben in Naturkommunikation, Der Postdoktorand Zhiqian Li, Professor Ethan Bier und ihre Kollegen haben einen Sequenzanalysator entwickelt, um Mutationsänderungen innerhalb und außerhalb des Ziels und die Art und Weise, wie sie von einer Generation zur nächsten vererbt werden, zu verfolgen. Basierend auf einem Konzept des ehemaligen UC San Diego-Forschers David Kosman kann das Integrated Classifier Pipeline (ICP)-Tool bestimmte Kategorien von Mutationen aufdecken, die aus der CRISPR-Bearbeitung resultieren.
Das bei Fliegen und Mücken entwickelte ICP liefert einen „Fingerabdruck“ darüber, wie genetisches Material vererbt wird, was es Wissenschaftlern ermöglicht, die Quelle von Mutationsänderungen und die damit verbundenen Risiken zu verfolgen, die sich aus potenziell problematischen Änderungen ergeben.
„Das ICP-System kann eindeutig feststellen, ob ein bestimmtes einzelnes Insekt spezifische genetische Komponenten der CRISPR-Maschinerie von seinen Müttern oder Vätern geerbt hat, da die mütterliche und die väterliche Übertragung zu völlig unterschiedlichen Fingerabdrücken führen“, sagte Bier, Professor an der UC San Diego School der Biowissenschaften.
Das ICP kann dabei helfen, komplexe biologische Probleme zu entschlüsseln, die bei der Bestimmung der Mechanismen hinter CRISPR auftreten. Während ICP in Insekten entwickelt wurde, birgt es ein enormes Potenzial für menschliche Anwendungen.
„Es gibt viele parallele Anwendungen von ICP zur Analyse und Verfolgung der Ergebnisse der CRISPR-Bearbeitung beim Menschen nach einer Gentherapie oder während der Tumorprogression“, sagte der Erstautor der Studie, Li. „Diese transformative, flexible Analyseplattform bietet viele wirkungsvolle Einsatzmöglichkeiten, um die sichere Anwendung modernster Gesundheitstechnologien der nächsten Generation zu gewährleisten.“
ICP bietet auch Hilfe bei der Verfolgung der Vererbung über Generationen hinweg in Gene-Drive-Systemen, bei denen es sich um neue Technologien zur Verbreitung von CRISPR-Änderungen in Anwendungen wie der Verhinderung der Übertragung von Malaria und dem Schutz landwirtschaftlicher Nutzpflanzen vor der Zerstörung durch Schädlinge handelt.
Forscher könnten beispielsweise eine einzelne Mücke aus dem Feld auswählen, in dem ein Gene-Drive-Test durchgeführt wird, und mithilfe der ICP-Analyse feststellen, ob diese Person das genetische Konstrukt von ihrer Mutter oder ihrem Vater geerbt hat und ob sie ein defektes Element geerbt hat Es fehlen die definierenden sichtbaren Marker dieses genetischen Elements.
„Das CRISPR-Bearbeitungssystem kann zu mehr als 90 % genau sein“, sagte Bier, „aber da es immer wieder bearbeitet, wird es irgendwann einen Fehler machen. Unterm Strich kann man mit dem ICP-System ein Bild mit sehr hoher Auflösung liefern.“ von dem, was schief gehen kann.
Co-Autoren waren neben Li und Bier auch Lang You und Anita Hermann. Kosman, früheres Bier-Labormitglied, leistete ebenfalls wichtige intellektuelle Beiträge zu diesem Projekt.
Mehr Informationen:
Zhiqian Li et al., Entwicklungsfortschritt der Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen, entschlüsselt durch einen Mutationsklassifikator mit Einzelallelauflösung, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-46479-2