Frühzeitige Erfolge bei der Genbearbeitung sind vielversprechend für die Vorbeugung von Erbkrankheiten

Frühzeitige Erfolge bei der Genbearbeitung sind vielversprechend für die Vorbeugung von Erbkrankheiten

Wissenschaftlern gelingt erstmals die sichere Reparatur einer Einzelgenmutation in menschlichen Embryonen

LA JOLLA – Wissenschaftler haben zum ersten Mal eine krankheitsverursachende Mutation in menschlichen Embryonen im Frühstadium durch Genbearbeitung korrigiert. Die Technik, die das CRISPR-Cas9-System verwendet, korrigierte die Mutation für eine Herzerkrankung im frühesten Stadium der Embryonalentwicklung, sodass der Defekt nicht an zukünftige Generationen weitergegeben werden konnte.

Die Arbeit, die in beschrieben ist Natur am 2. August 2017 ist eine Zusammenarbeit zwischen dem Salk Institute, der Oregon Health and Science University (OHSU) und dem koreanischen Institute for Basic Science und könnte den Weg für verbesserte Ergebnisse der In-vitro-Fertilisation (IVF) sowie eventuelle Heilung einiger dieser Erkrankungen ebnen die Tausenden von Krankheiten, die durch Mutationen in einzelnen Genen verursacht werden.

„Dank der Fortschritte in der Stammzelltechnologie und der Genbearbeitung beginnen wir endlich, krankheitsverursachende Mutationen anzugehen, die möglicherweise Millionen von Menschen betreffen“, sagt er Juan Carlos Izpisúa Belmonte, Professor am Gene Expression Laboratory von Salk und korrespondierender Autor des Artikels. „Die Genbearbeitung steckt noch in den Kinderschuhen. Auch wenn sich dieser Vorversuch als sicher und wirksam erwiesen hat, ist es von entscheidender Bedeutung, dass wir weiterhin mit größter Vorsicht vorgehen und ethischen Erwägungen höchste Aufmerksamkeit schenken.“

Obwohl Gen-Editing-Tools das Potenzial haben, eine Reihe von Krankheiten zu heilen, sind Wissenschaftler vorsichtig vorgegangen, teilweise um die Einführung unbeabsichtigter Mutationen in die Keimbahn (Zellen, die zu Eizellen oder Spermien werden) zu vermeiden. Izpisua Belmonte ist besonders qualifiziert, über die Ethik der Genombearbeitung zu sprechen, auch weil sie als Mitglied der Ausschuss für die Bearbeitung menschlicher Gene Er war Mitglied der National Academies of Sciences, Engineering and Medicine und half bei der Erstellung der Roadmap 2016.Bearbeitung des menschlichen Genoms: Wissenschaft, Ethik und Governance.“ Die Forschung in der aktuellen Studie entspricht vollständig den Empfehlungen dieses Dokuments und hält sich eng an die Richtlinien des Institutional Review Board der OHSU und zusätzlicher Ad-hoc-Ausschüsse, die für die wissenschaftliche und ethische Überprüfung eingerichtet wurden.

Hypertrophe Kardiomyopathie (HCM) ist die häufigste Ursache für plötzliche Todesfälle bei ansonsten gesunden jungen Sportlern und betrifft insgesamt etwa 1 von 500 Menschen. Es wird durch eine dominante Mutation im verursacht MYBPC3 Gen, bleibt aber oft unentdeckt, bis es zu spät ist. Da Menschen mit einer mutierten Kopie davon MYBPC3 Gene haben eine 50-prozentige Chance, es an ihre eigenen Kinder weiterzugeben. Wenn die Mutation in Embryonen korrigiert werden könnte, würde dies die Krankheit nicht nur bei betroffenen Kindern, sondern auch bei ihren Nachkommen verhindern.

Die Forscher erzeugten induzierte pluripotente Stammzellen aus einer Hautbiopsie, die von einem Mann mit HCM gespendet wurde, und entwickelten eine auf CRISPR-Cas9 basierende Gen-Editing-Strategie, die speziell auf die mutierte Kopie des HCM abzielt MYBPC3 Gen zur Reparatur. Das Ziel mutierte MYBPC3 Das Gen wurde durch das Cas9-Enzym geschnitten, wodurch die DNA-Reparaturmechanismen der Spenderzellen die Mutation während der nächsten Runde der Zellteilung reparieren konnten, indem sie entweder eine synthetische DNA-Sequenz oder die nicht mutierte Kopie davon verwendeten MYBPC3 Gen als Vorlage.

Mithilfe von IVF-Techniken injizierten die Forscher die leistungsstärksten Gen-Editing-Komponenten in gesunde Spendereizellen, die frisch mit dem Sperma der Spenderin befruchtet wurden. Anschließend analysierten sie alle Zellen der frühen Embryonen mit Einzelzellauflösung, um zu sehen, wie effektiv die Mutation repariert wurde.

Die Wissenschaftler waren überrascht, wie sicher und effizient die Methode war. Es wurde nicht nur ein hoher Prozentsatz der embryonalen Zellen repariert, sondern die Genkorrektur führte auch nicht zu nachweisbaren Off-Target-Mutationen und Genominstabilität – große Bedenken bei der Genbearbeitung. Darüber hinaus entwickelten die Forscher eine robuste Strategie, um sicherzustellen, dass die Reparatur in allen Zellen des Embryos konsistent erfolgt. (Fleckige Reparaturen können dazu führen, dass einige Zellen die Mutation weiterhin tragen.)

„Obwohl die Erfolgsquote bei Patientenzellen, die in einer Schale kultiviert wurden, gering war, haben wir gesehen, dass die Genkorrektur bei Embryonen, von denen eine Kopie davon vorhanden ist, sehr robust zu sein scheint MYBPC3 Das Gen ist mutiert“, sagt Jun Wu, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Salk und einer der Erstautoren der Studie. Dies lag zum Teil daran, dass der Embryo nach dem CRISPR-Cas9-vermittelten enzymatischen Schneiden der mutierten Genkopie seine eigenen Reparaturen einleitete. Anstatt die bereitgestellte synthetische DNA-Vorlage zu verwenden, stellte das Team überraschenderweise fest, dass der Embryo bevorzugt die verfügbare gesunde Kopie des Gens nutzte, um den mutierten Teil zu reparieren. „Unsere Technologie repariert erfolgreich die krankheitsverursachende Genmutation, indem sie sich eine DNA-Reparaturreaktion zunutze macht, die nur bei frühen Embryonen auftritt“, sagt Wu.

Izpisua Belmonte und Wu betonen, dass es sich zwar um vielversprechende, aber sehr vorläufige Ergebnisse handelt und weitere Untersuchungen erforderlich sind, um sicherzustellen, dass keine unbeabsichtigten Auswirkungen auftreten.

„Unsere Ergebnisse zeigen das große Potenzial der embryonalen Genbearbeitung, aber wir müssen weiterhin die Risiken und Vorteile realistisch einschätzen“, fügt Izpisua Belmonte hinzu.

Zukünftige Arbeiten werden weiterhin die Sicherheit und Wirksamkeit des Verfahrens sowie die Wirksamkeit der Technik bei anderen Mutationen bewerten.

Weitere Autoren waren: Keiichiro Suzuki vom Salk Institute; Hong Ma, Nuria Marti-Gutierrez, Yeonmi Lee, Amy Koski, Dongmei Ji, Tomonari Hayama, Riffat Ahmed, Hayley Darby, Crystal Van Dyken, Ying Li, Eunju Kang, David Battaglia, Sacha A. Krieg, David M. Lee, Diana H. Wu, Don P. Wolf, Stephen B. Heitner, Paula Amato, Sanjiv Kaul und Shoukhrat Mitalipov von Oregon Health and Science University; Sang-Wook Park, A-Reum Park, Sang-Tae Kim und Jin-Soo Kim von Koreas Institut für Grundlagenwissenschaften; Daesik Kim von Seoul National University; und Jianhui Gong, Ying Gu und Xun Xu von BGI, China.

Die Arbeit wurde finanziert von: Oregon Health and Science University, der Institut für Grundlagenwissenschaft, hat das G. Harold und Leila Y. Mathers Wohltätigkeitsstiftung, hat das Moxie-Stiftung, hat das Leona M. und Harry B. Helmsley Charitable Trust und Stadtregierung von Shenzhen, China.