Die Genomeditierung ist eine weit verbreitete Technologie zur Veränderung der DNA in Zellen geworden. Sie ermöglicht es Wissenschaftlern, Krankheiten im Labor zu untersuchen und Therapien zu entwickeln, die krankheitsverursachende Mutationen reparieren. Mit den aktuellen Ansätzen ist es jedoch immer nur möglich, Zellen an einer Stelle gleichzeitig zu bearbeiten.
Nun hat ein Forscherteam des Gladstone Institutes eine neue Methode entwickelt, mit der es an mehreren Stellen einer Zelle gleichzeitig präzise Änderungen vornehmen kann. Mithilfe von Retronen, sogenannten Molekülen, haben sie ein Werkzeug entwickelt, mit dem sich die DNA von Bakterien, Hefen und menschlichen Zellen effizient verändern lässt.
„Wir wollten die Grenzen der Genomtechnologien erweitern, indem wir Werkzeuge entwickelten, die uns dabei helfen, die wahre Komplexität von Biologie und Krankheiten zu untersuchen“, sagt der assoziierte Forscher Dr. Seth Shipman, leitender Autor einer neue Studie veröffentlicht in Natur Chemische Biologie.
Einschränkungen überwinden
Shipman ist ein führender Experte auf dem aufstrebenden und schnell wachsenden Gebiet der Retronen, molekulare Komponenten eines bakteriellen Immunsystems, das große Mengen DNA produzieren kann. Im Jahr 2022 entwickelte sein Labor durch die Kombination von Retronen mit der Genomeditierung CRISPR-Cas9 ein System zur schnellen und effizienten Bearbeitung menschlicher Zellen.
Mit der neuen Studie wollten die Forscher mithilfe ihres Systems eine Einschränkung aktueller Methoden zur Genomeditierung überwinden.
„Wenn man eine Zelle an mehreren Stellen des Genoms bearbeiten wollte, die nicht nahe beieinander liegen, bestand der bisherige Standardansatz darin, die Änderungen nacheinander vorzunehmen“, erklärt Dr. Alejandro González-Delgado, einer der Erstautoren der Studie und Postdoktorand in Shipmans Labor. „Es war ein mühsamer Zyklus: Zuerst nahm man eine Änderung vor, dann verwendete man die bearbeiteten Zellen, um eine weitere Änderung vorzunehmen, und so weiter.“
Stattdessen fand das Team einen Weg, ein Retron so zu kodieren, dass es verschiedene DNA-Abschnitte erzeugen kann. Wenn diese manipulierten Retronen – Multitrons genannt – in eine Zelle gelangen, können sie mehrere Änderungen gleichzeitig vornehmen.
Ein weiterer Vorteil von Multitrons ist ihre Fähigkeit, große Teile des Genoms zu löschen.
„Mit Multitrons können wir sequenzielle Deletionen vornehmen, um mittlere Teile der Genomregion, auf die wir abzielen, herauszuschneiden und zusammenzudrücken, wobei wir die weit auseinander liegenden Enden einander näher bringen, bis die gesamte Region vollständig gelöscht ist“, sagt González-Delgado.
Zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten
Im Rahmen ihrer Studie demonstrierten Shipman und sein Team unmittelbare Anwendungsmöglichkeiten ihrer neuen Methode in der molekularen Aufzeichnung und im Stoffwechsel-Engineering.
Wie sie bereits gezeigt haben, können Retronen dazu verwendet werden, molekulare Ereignisse in einer Zelle aufzuzeichnen, wodurch ein detailliertes Protokoll der Zellaktivität und der Veränderungen in ihrer Umgebung erstellt werden kann. Mit Multitronen haben die Forscher diesen Ansatz erweitert und können nun mit größerer Empfindlichkeit aufzeichnen.
„Multitrons ermöglichen es uns, sehr schwache und sehr starke Signale gleichzeitig aufzuzeichnen, wodurch der Dynamikbereich unserer Aufzeichnungen erweitert wird“, sagt González-Delgado. „Irgendwann könnten wir uns vorstellen, diese Art von Werkzeug im Darmmikrobiom einzusetzen, um ein Signal wie eine Entzündung aufzuzeichnen.“
Was die Stoffwechseltechnik betrifft, zeigten die Wissenschaftler, dass Multitrons verwendet werden können, um mehrere Gene in einem Stoffwechselweg gleichzeitig zu bearbeiten und so die Produktion einer bestimmten Substanz in einer Zelle schnell zu steigern. Sie testeten ihren Ansatz an einem starken Antioxidans namens Lycopin und steigerten die Produktion dieser Verbindung erfolgreich um das Dreifache.
„Um mit der Modellierung komplexer genetischer Krankheiten zu beginnen und schließlich Behandlungen oder Heilmittel zu finden, müssen wir viele verschiedene Mutationen an Zellen gleichzeitig vornehmen“, sagt Shipman, der auch außerordentlicher Professor in der Abteilung für Bioengineering und Therapeutische Wissenschaften an der UC San Francisco sowie Chan Zuckerberg Biohub Investigator ist. „Unser neuer Ansatz ist ein Schritt in diese Richtung.“
Mehr Informationen:
Alejandro González-Delgado et al., Gleichzeitige Multisite-Editierung einzelner Genome mithilfe von Retron-Arrays, Natur Chemische Biologie (2024). DOI: 10.1038/s41589-024-01665-7