Wissenschaftler entwickeln neuartige Technik zur Bildung menschlicher künstlicher Chromosomen

Künstliche menschliche Chromosomen (HACs), die in menschlichen Zellen wirken können, könnten die Grundlage für fortschrittliche Gentherapien sein, einschließlich solcher zur Behandlung einiger Krebsarten, sowie für viele Laboranwendungen, obwohl ernsthafte technische Hindernisse ihre Entwicklung behindert haben. Jetzt ist einem Team unter der Leitung von Forschern der Perelman School of Medicine der University of Pennsylvania ein bedeutender Durchbruch auf diesem Gebiet gelungen, der einen häufigen Stolperstein effektiv umgeht.

In einer Studie veröffentlicht In Wissenschafterklärten die Forscher, wie sie eine effiziente Technik zur Herstellung von HACs aus einzelnen, langen Konstrukten von Designer-DNA entwickelten. Frühere Methoden zur Herstellung von HACs waren durch die Tatsache eingeschränkt, dass die zu ihrer Herstellung verwendeten DNA-Konstrukte dazu neigen, sich in unvorhersehbar langen Reihen und mit unvorhersehbaren Umlagerungen zu verbinden – zu „multimerisieren“.

Die neue Methode ermöglicht eine schnellere und präzisere Herstellung von HACs, was wiederum die Geschwindigkeit, mit der DNA-Forschung durchgeführt werden kann, direkt beschleunigt. Mit der Zeit könnte diese Technik mit einem wirksamen Abgabesystem zu besser entwickelten Zelltherapien für Krankheiten wie Krebs führen.

„Im Wesentlichen haben wir den alten Ansatz für HAC-Design und -Bereitstellung komplett überarbeitet“, sagte Ben Black, Ph.D., Professor für Biochemie und Biophysik der Eldridge Reeves Johnson Foundation an der Penn. „Der von uns gebaute HAC ist sehr attraktiv für den späteren Einsatz in biotechnologischen Anwendungen, beispielsweise dort, wo groß angelegte Gentechnik von Zellen gewünscht wird. Ein Bonus ist, dass sie neben natürlichen Chromosomen existieren, ohne dass die natürlichen Chromosomen in der Zelle verändert werden müssen.“

Die ersten HACs wurden vor 25 Jahren entwickelt und die Technologie der künstlichen Chromosomen ist für kleinere, einfachere Chromosomen niederer Organismen wie Bakterien und Hefen bereits weit fortgeschritten. Bei menschlichen Chromosomen verhält es sich anders, vor allem aufgrund ihrer größeren Größe und der komplexeren Zentromere, dem zentralen Bereich, in dem die Arme der X-förmigen Chromosomen verbunden sind.

Forschern ist es gelungen, kleine künstliche menschliche Chromosomen aus sich selbst verbindenden DNA-Abschnitten zu bilden, die Zellen hinzugefügt werden. Diese DNA-Abschnitte multimerisieren jedoch mit unvorhersehbaren Organisationen und Kopienzahlen, was ihre therapeutische oder wissenschaftliche Verwendung erschwert, und die resultierenden HACs gehen manchmal sogar verloren Sie integrieren Teile natürlicher Chromosomen aus ihren Wirtszellen, was die Bearbeitung unzuverlässig macht.

In ihrer Studie entwickelten die Forscher von Penn Medicine verbesserte HACs mit mehreren Innovationen: Dazu gehörten größere anfängliche DNA-Konstrukte mit größeren und komplexeren Zentromeren, die es ermöglichen, HACs aus einzelnen Kopien dieser Konstrukte zu bilden. Für die Abgabe an die Zellen verwendeten sie ein auf Hefezellen basierendes Abgabesystem, das größere Ladungen transportieren kann.

„Anstatt beispielsweise zu versuchen, die Multimerisierung zu hemmen, haben wir das Problem einfach umgangen, indem wir die Größe des eingegebenen DNA-Konstrukts erhöht haben, sodass es von Natur aus dazu neigte, in vorhersehbarer Einzelkopieform zu bleiben“, sagte Black.

Die Forscher zeigten, dass ihre Methode im Vergleich zu Standardmethoden viel effizienter bei der Bildung lebensfähiger HACs war und HACs lieferte, die sich während der Zellteilung selbst reproduzieren konnten.

Die potenziellen Vorteile künstlicher Chromosomen – vorausgesetzt, sie können leicht in Zellen transportiert werden und wie natürliche Chromosomen funktionieren – sind vielfältig. Sie würden sicherere, produktivere und langlebigere Plattformen für die Expression therapeutischer Gene bieten, im Gegensatz zu virusbasierten Genübertragungssystemen, die Immunreaktionen auslösen und eine schädliche Virusinsertion in natürliche Chromosomen beinhalten können.

Eine normale Genexpression in Zellen erfordert außerdem viele lokale und entfernte regulatorische Faktoren, die außerhalb eines chromosomenähnlichen Kontexts praktisch unmöglich künstlich reproduziert werden können. Darüber hinaus würden künstliche Chromosomen im Gegensatz zu relativ beengten viralen Vektoren die Expression großer, kooperativer Gen-Ensembles ermöglichen, beispielsweise um komplexe Proteinmaschinen zu konstruieren.

Black geht davon aus, dass der gleiche umfassende Ansatz, den seine Gruppe in dieser Studie verfolgte, bei der Herstellung künstlicher Chromosomen für andere höhere Organismen nützlich sein wird, darunter Pflanzen für landwirtschaftliche Anwendungen wie schädlingsresistente Hochleistungspflanzen.

An der Studie waren auch Forscher des J. Craig Venter Institute, der University of Edinburgh und der Technischen Universität Darmstadt beteiligt.