Forscher haben herausgefunden, dass durch das Zerlegen des in der herkömmlichen CRISPR-Technologie verwendeten Gen-Editors ein präziseres Werkzeug entstehen kann, das ein- und ausgeschaltet werden kann und bei dem die Wahrscheinlichkeit, dass es zu unbeabsichtigten Genommutationen kommt, deutlich geringer ist. Sie sagen, dass ihr neues Tool das Potenzial hat, etwa die Hälfte aller krankheitsverursachenden Mutationen zu korrigieren.
CRISPR ist einer der wissenschaftlichen Begriffe, die Eingang in den alltäglichen Wortschatz gefunden haben. Dieses Werkzeug zur Genbearbeitung ist wohl eine der größten Entdeckungen des 21. Jahrhunderts und revolutioniert die Erforschung und Behandlung genetischer und nicht genetischer Krankheiten. Das mit der CRISPR-Technologie verbundene Hauptrisiko ist jedoch das „Off-Target-Editing“, also das Auftreten unerwarteter, unnötiger oder sogar nachteiliger Veränderungen im Genom außerhalb der Zielstelle.
Jetzt haben Forscher der Rice University ein neues Werkzeug zur Genbearbeitung entwickelt, das auf der CRISPR-Technologie basiert und präziser ist und die Möglichkeit einer Bearbeitung außerhalb des Ziels erheblich reduziert.
„Unser Team hat sich zum Ziel gesetzt, eine verbesserte Version des Gen-Editing-Tools zu entwickeln, das je nach Bedarf ein- oder ausgeschaltet werden kann und beispiellose Sicherheit und Genauigkeit bietet“, sagte Hongzhi Zeng, der Erstautor der Studie. „Ein solches Werkzeug hat das Potenzial, fast die Hälfte der krankheitsverursachenden Punktmutationen in unserem Genom zu korrigieren. Aktuelle Adenin-Base-Editoren befinden sich jedoch in einem ständig eingeschalteten Zustand, was zu unerwünschten genomischen Veränderungen führen und gleichzeitig die gewünschten Korrekturen im Wirtsgenom vornehmen kann.“
DNA besteht aus zwei verbundenen Strängen, die sich umeinander winden und eine Doppelhelix bilden, die einer gedrehten Leiter ähnelt. Die „Sprossen“ der Leiter bestehen aus Basenpaaren, bei denen es sich um zwei komplementäre Nukleotidbasen handelt, die durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten werden: Adenin (A)-Paare mit Thymin (T) und Cytosin (C)-Paare mit Guanin (G).
Basenpaarmutationen, auch „Punktmutationen“ genannt, sind für Tausende von Krankheiten verantwortlich. Herkömmliches CRISPR verwendet einen Adenin-Base-Editor (ABE) oder einen Cytosin-Base-Editor (CBE), um Punktmutationen an der gewünschten Stelle zu erzeugen. Hier nutzten die Forscher ABE und modifizierten es.
Sie trennten ABE in zwei separate Proteine, die inaktiv blieben, bis das Sirolimus-Molekül hinzugefügt wurde. Sirolimus, auch bekannt als Rapamycin, ist ein Medikament mit antitumoralen und immunsuppressiven Eigenschaften, das zur Verhinderung einer Abstoßung bei Organtransplantationen und zur Behandlung bestimmter Krebsarten eingesetzt wird.
„Wenn dieses kleine Molekül eingeführt wird, werden zwei unabhängige inaktive Segmente des Adeninbase-Editors zusammengeklebt und werden aktiv“, sagte Zeng. „Wenn der Körper Rapamycin verstoffwechselt, trennen sich diese beiden Fragmente, wodurch das System inaktiv wird.“
Die Forscher fanden heraus, dass ihr neues Split-Gene-Editing-Tool nicht nur für einen kürzeren Zeitraum aktiv blieb als die ursprüngliche, intakte ABE, sondern auch weitere Vorteile hatte.
„Im Vergleich zum vollständigen [Basis-]Editor reduziert unsere Version Off-Target-Änderungen um mehr als 70 Prozent und verbessert die Genauigkeit von On-Target-Änderungen“, sagte Zeng.
Sie testeten ihren Ansatz, indem sie auf das PCSK9-Gen in der Leber von Mäusen abzielten. Das PCSK9-Gen produziert ein Protein, das bei der Regulierung des Cholesterinspiegels im Blut hilft und daher therapeutische Auswirkungen auf den Menschen hat. Sie verpackten das durch Rapamycin aktivierte gespaltene ABE in einen Adeno-assoziierten Virus (AAV)-Vektor und fanden heraus, dass es ein einzelnes A●T-Basenpaar auf dem Gen in ein G●C-Basenpaar umwandeln konnte. Diese Konvertierung ist besonders nützlich, da Mutationen des G●C-zu-A●T-Basenpaars fast 50 % der Einzelpunktmutationen im Zusammenhang mit genetisch bedingten Erkrankungen des Menschen ausmachen.
„Wir hoffen, dass unsere Split-Genome-Editing-Tools irgendwann eingesetzt werden können, um Probleme im Zusammenhang mit der menschlichen Gesundheit präziser zu lösen“, sagte Gao Xue, der korrespondierende Autor der Studie.
Die Forschung wurde in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.