Neue Gen-Editing-Technologie stellt das Sehvermögen blinder Tiere teilweise wieder her

Neue Gen-Editing-Technologie stellt das Sehvermögen blinder Tiere teilweise wieder her

Salk-Forscher haben zum ersten Mal herausgefunden, wie DNA an bestimmten Stellen in sich nicht teilenden Zellen platziert werden kann

LA JOLLA – Forscher des Salk Institute haben einen heiligen Gral der Genbearbeitung entdeckt – die Fähigkeit, zum ersten Mal DNA an einer Zielstelle in die sich nicht teilenden Zellen einzufügen, aus denen die meisten erwachsenen Organe und Gewebe bestehen. Die Technik, von der das Team zeigte, dass sie die visuellen Reaktionen bei blinden Nagetieren teilweise wiederherstellen konnte, wird neue Wege für die Grundlagenforschung und eine Vielzahl von Behandlungen eröffnen, beispielsweise für Netzhaut-, Herz- und neurologische Erkrankungen.

„Wir sind von der Technologie, die wir entdeckt haben, sehr begeistert, denn das war etwas, was vorher nicht möglich war“, sagt er Juan Carlos Izpisúa Belmonte, Professor am Gene Expression Laboratory von Salk und leitender Autor des am 16. November 2016 in veröffentlichten Artikels Natur. „Zum ersten Mal können wir in Zellen eindringen, die sich nicht teilen, und die DNA nach Belieben verändern. Die möglichen Anwendungen dieser Entdeckung sind enorm.“

Bisher waren Techniken, die die DNA modifizieren – wie das CRISPR-Cas9-System – bei der Teilung von Zellen, beispielsweise in der Haut oder im Darm, am effektivsten, wobei sie die normalen Kopiermechanismen der Zellen nutzten. Die neue Salk-Technologie ist zehnmal effizienter als andere Methoden beim Einbau neuer DNA in Kulturen sich teilender Zellen und macht sie zu einem vielversprechenden Werkzeug sowohl für Forschung als auch für die Medizin. Noch wichtiger ist jedoch, dass es Wissenschaftlern mit der Salk-Technik zum ersten Mal gelungen ist, ein neues Gen an einer präzisen DNA-Stelle in erwachsenen Zellen einzufügen, die sich nicht mehr teilen, beispielsweise in denen des Auges, des Gehirns, der Bauchspeicheldrüse oder des Herzens, was neue Möglichkeiten bietet therapeutische Anwendungen in diesen Zellen.

Um dies zu erreichen, zielten die Salk-Forscher auf einen zellulären DNA-Reparaturweg namens NHEJ (für „non-homologe end-joining“) ab, der routinemäßige DNA-Brüche repariert, indem er die ursprünglichen Strangenden wieder zusammenfügt. Sie kombinierten diesen Prozess mit bestehender Gen-Editing-Technologie, um neue DNA erfolgreich an einer präzisen Stelle in sich nicht teilenden Zellen zu platzieren.

„Die Verwendung dieses NHEJ-Wegs zum Einfügen völlig neuer DNA ist revolutionär für die Bearbeitung des Genoms in lebenden erwachsenen Organismen“, sagt Keiichiro Suzuki, leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter im Izpisua Belmonte-Labor und einer der Hauptautoren der Studie. „Das hat noch niemand gemacht.“

Zunächst arbeitete das Salk-Team an der Optimierung der NHEJ-Maschinerie für die Verwendung mit dem CRISPR-Cas9-System, das es ermöglicht, DNA an sehr präzisen Stellen im Genom einzufügen. Das Team erstellte ein maßgeschneidertes Insertionspaket aus einem Nukleinsäurecocktail, das sie HITI (homology-independent targeted integration) nennen. Dann verwendeten sie einen inerten Virus, um das Paket genetischer Anweisungen von HITI an Neuronen zu übertragen, die aus menschlichen embryonalen Stammzellen stammen.

„Das war der erste Hinweis darauf, dass HITI in sich nicht teilenden Zellen wirken könnte“, sagt Jun Wu, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Co-Hauptautor. Mit dieser Leistung gelang es dem Team, das Konstrukt erfolgreich in die Gehirne erwachsener Mäuse zu übertragen. Um schließlich die Möglichkeit der Verwendung von HITI für die Genersatztherapie zu untersuchen, testete das Team die Technik an einem Rattenmodell für Retinitis pigmentosa, eine erbliche Netzhautdegenerationserkrankung, die beim Menschen zur Erblindung führt. Diesmal nutzte das Team HITI, um drei Wochen alten Ratten eine funktionsfähige Kopie von Mertk, einem der Gene, die bei Retinitis pigmentosa geschädigt werden, in die Augen zu übertragen. Eine Analyse, die im Alter von 3 Wochen durchgeführt wurde, zeigte, dass die Tiere auf Licht reagieren konnten und mehrere Tests bestanden, die auf eine Heilung ihrer Netzhautzellen hindeuteten.

„Wir konnten das Sehvermögen dieser blinden Ratten verbessern“, sagt Co-Hauptautorin Reyna Hernandez-Benitez, eine wissenschaftliche Mitarbeiterin von Salk. „Dieser frühe Erfolg lässt darauf schließen, dass diese Technologie sehr vielversprechend ist.“

Die nächsten Schritte des Teams werden darin bestehen, die Liefereffizienz des HITI-Konstrukts zu verbessern. Wie bei allen Genombearbeitungstechnologien ist es eine Herausforderung, genügend Zellen für die Aufnahme der neuen DNA zu bekommen. Das Schöne an der HITI-Technologie ist, dass sie an jedes gezielte Genom-Engineering-System anpassbar ist, nicht nur an CRISPR-Cas9. Mit der Verbesserung der Sicherheit und Effizienz dieser Systeme steigt auch der Nutzen von HITI.

„Wir verfügen jetzt über eine Technologie, die es uns ermöglicht, die DNA von sich nicht teilenden Zellen zu modifizieren, um defekte Gene im Gehirn, Herzen und der Leber zu reparieren“, sagt Izpisua Belmonte. „Es ermöglicht uns zum ersten Mal, davon zu träumen, Krankheiten zu heilen, die wir vorher nicht konnten, was aufregend ist.“

Weitere Forscher an der Studie waren Euiseok J. Kim, Fumiyuki Hatanaka, Mako Yamamoto, Toshikazu Araoka, Masakazu Kurita, Tomoaki Hishida, Mo Li, Emi Aizawa, April Goebl, Rupa Devi Soligalla, Concepcion Rodriguez Esteban, Travis Berggren und Edward M. Callaway des Salk Institute; Yuji Tsunekawa und Fumio Matsuzaki von RIKEN Zentrum für Entwicklungsbiologie; Pierre Magistretti von König Abdullah Universität für Wissenschaft und Technologie; Jie Zhu, Tingshuai Jiang, Xin Fu, Maryam Jafari und Kang Zhang von Shiley Eye Institute und Institut für Genommedizin, University of California San Diego; Zhe Li, Shicheng Guo, Song Chen und Kun Zhang von Institut für Ingenieurwissenschaften in der Medizin, University of California San Diego; Jing Qu und Guang-Hui Liu von Chinesische Akademie der Wissenschaften; Jeronimo Lajara, Estrella Nuñez und Pedro Guillen von Universidad Catolica San Antonio de Murcia; und Josep M. Campistol von der Universität von Barcelona.

Die Arbeit und die beteiligten Forscher wurden teilweise von der unterstützt National Institutes of Health, Der Leona M. und Harry B. Helmsley Charitable Trust, hat das G. Harold und Leila Y. Mathers Wohltätigkeitsstiftung, Die McKnight Foundation, Die Moxie Foundation, hat das Dr. Pedro Guillen Stiftung und Universidad Catolica San Antonio de Murcia, Spanien.