Eine neuartige Technologie zur Genombearbeitung einer breiten Palette von
Mutationen in lebenden Organismen

Eine neuartige Technologie zur Genombearbeitung einer breiten Palette von Mutationen in lebenden Organismen

Salk-Wissenschaftler entwickeln ein neues Werkzeug zur Genombearbeitung, das bei der Behandlung vieler durch Genmutationen verursachter Erkrankungen helfen könnte

LA JOLLA – Die Fähigkeit, Gene in lebenden Organismen zu bearbeiten, bietet die Möglichkeit, eine Vielzahl von Erbkrankheiten zu behandeln. Allerdings sind viele Arten von Werkzeugen zur Genbearbeitung nicht in der Lage, kritische Bereiche der DNA anzugreifen, und die Entwicklung einer solchen Technologie war schwierig, da lebendes Gewebe verschiedene Zelltypen enthält.

Jetzt haben Forscher des Salk Institute ein neues Tool namens SATI entwickelt, um das Mausgenom zu bearbeiten, das es dem Team ermöglicht, auf ein breites Spektrum von Mutationen und Zelltypen abzuzielen. Die neue Technologie zur Genombearbeitung, beschrieben in Zellforschung am 23. August 2019, könnte für den Einsatz bei einem breiten Spektrum von Genmutationserkrankungen wie der Huntington-Krankheit und dem seltenen vorzeitigen Alterungssyndrom Progerie ausgeweitet werden.

„Diese Studie hat gezeigt, dass SATI ein leistungsstarkes Werkzeug zur Genombearbeitung ist“, sagt Juan Carlos Izpisúa Belmonte, Professor am Gene Expression Laboratory von Salk und leitender Autor des Artikels. „Es könnte sich als entscheidend für die Entwicklung effektiver Strategien für den Zielgenersatz vieler verschiedener Arten von Mutationen erweisen und öffnet die Tür für den Einsatz von Werkzeugen zur Genombearbeitung, um möglicherweise ein breites Spektrum genetischer Krankheiten zu heilen.“

Techniken, die die DNA modifizieren – insbesondere das CRISPR-Cas9-System – waren im Allgemeinen am effektivsten bei der Teilung von Zellen, beispielsweise in der Haut oder im Darm, und nutzten dabei die normalen DNA-Reparaturmechanismen der Zellen. Das Izpisua Belmonte-Labor zuvor gezeigt dass ihre CRISPR/Cas9-basierte Gen-Editing-Technologie, genannt HITI (für Homology-Independent Targeted Integration), sowohl auf sich teilende als auch sich nicht teilende Zellen abzielen könnte. Proteinkodierende Regionen funktionieren wie Rezepte für die Herstellung von Proteinen, während Bereiche, die nicht kodierende Regionen genannt werden, als Köche fungieren, die entscheiden, wie viel Essen zubereitet werden soll. Diese nichtkodierenden Regionen machen den größten Teil der DNA aus (~98 %) und regulieren viele Zellfunktionen, einschließlich des An- und Ausschaltens von Genen, und könnten daher ein wertvolles Ziel für zukünftige Gentherapien sein.

„Wir wollten ein vielseitiges Werkzeug entwickeln, um auf diese nicht-kodierenden Regionen der DNA abzuzielen, das die Funktion des Gens nicht beeinträchtigt und das Angreifen auf ein breites Spektrum an Mutationen und Zelltypen ermöglicht“, sagt Mako Yamamoto, Co- Erstautor der Arbeit und Postdoktorand im Izpisua Belmonte-Labor. „Als Proof-of-Concept haben wir uns auf ein Mausmodell der vorzeitigen Alterung konzentriert, die durch eine Mutation verursacht wird, die mit vorhandenen Tools zur Genombearbeitung schwer zu reparieren ist.“

Die neue Gen-Knock-in-Methode, die die Wissenschaftler SATI (kurz für interzellulär linearisiert) nennen Seinzelne Homologie Arm spendervermittelte Intron-Targumentieren IIntegration) ist eine Weiterentwicklung der bisherigen HITI-Methode, um zusätzliche Bereiche des Genoms gezielt ansprechen zu können. SATI funktioniert, indem es eine normale Kopie des problematischen Gens in den nichtkodierenden Bereich der DNA vor der Mutationsstelle einfügt. Dieses neue Gen wird dann über einen von mehreren DNA-Reparaturwegen zusammen mit dem alten Gen in das Genom integriert und befreit den Organismus von den schädlichen Auswirkungen des ursprünglichen, mutierten Gens, ohne das Risiko eines Schadens einzugehen, der mit einem vollständigen Ersatz des Gens einhergeht.

Die Wissenschaftler testeten die SATI-Technologie an lebenden Mäusen mit Progerie, die durch eine Mutation im LMNA-Gen verursacht wird. Sowohl Menschen als auch Mäuse mit Progerie zeigen Anzeichen vorzeitiger Alterung, Herzfunktionsstörungen und eine dramatisch verkürzte Lebenserwartung aufgrund der Ansammlung eines Proteins namens Progerin. Mithilfe von SATI wurde eine normale Kopie des LMNA-Gens in die Progeria-Mäuse eingefügt. Die Forscher konnten verminderte Alterungserscheinungen in mehreren Geweben, einschließlich Haut und Milz, sowie eine Verlängerung der Lebensspanne beobachten (45 % Steigerung im Vergleich zu unbehandelten Progeria-Mäusen). Eine ähnliche Verlängerung der Lebensspanne, auf den Menschen übertragen, würde mehr als ein Jahrzehnt betragen. Somit stellt das SATI-System das erste dar in vivo Genkorrekturtechnologie, die auf nicht-kodierende DNA-Regionen in mehreren Gewebetypen abzielen kann.

Als nächstes möchte das Team die Effizienz von SATI verbessern, indem es die Anzahl der Zellen erhöht, die die neue DNA integrieren.

„Konkret werden wir die Details der an der DNA-Reparatur beteiligten zellulären Systeme untersuchen, um die SATI-Technologie für eine bessere DNA-Korrektur noch weiter zu verfeinern“, sagt Reyna Hernandez-Benitez, Co-Erstautorin des Artikels und Postdoktorandin am Izpisua Belmonte Labor.

Weitere Autoren waren Keiichiro Suzuki, Rupa Devi Soligalla, Emi Aizawa, Fumiyuki Hatanaka, Masakazu Kurita, Pradeep Reddy, Alejandro Ocampo, Tomoaki Hishida, Masahiro Sakurai, Amy N. Nemeth, Concepcion Rodriguez Esteban von Salk; Zhe Li, Christopher Wei und Kun Zhang von der University of California San Diego; Estrella Nuñez Delicado von der Universidad Catolica San Antonio de Murcia; Jun Wu vom Southwestern Medical Center der University of Texas; Josep M. Campistol von der Krankenhausklinik Barcelona in Spanien; Pierre Magistretti von der King Abdullah University of Science and Technology in Saudi-Arabien; Pedro Guillen von der Clinica CEMTRO in Spanien; Jianhui Gong, Yilin Yuan und Ying Gu vom BGI-Shenzhen in China; Guang-Hui Liu von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften; und Carlos López-Otín von der Universidad de Oviedo in Spanien.

Die Arbeit wurde vom Salk Women & Science Special Award 2016, dem JSPS KAKENHI (15K21762 und 18H04036), der Takeda Science Foundation, der Uehara Memorial Foundation, den National Institutes of Natural Sciences (BS291007) und der Sumitomo Foundation (170220) finanziert. Die Naito Foundation, die Kurata Grants (1350), die Mochida Memorial Foundation, die Inamori Foundation, das Guangdong Provincial Key Laboratory of Genome Read and Write (Nr. 2017B030301011), die Guangdong Provincial Academician Workstation of BGI Synthetic Genomics (Nr. 2017B090904014), der Shenzhen Peacock Plan (Nr. KQTD20150330171505310), der Leona M. and Harry B. Helmsley Charitable Trust (2012-PG-MED002), die G. Harold and Leila Y. Mathers Charitable Foundation, die National Institutes of Health (R01HL123755 und 5 DP1 DK113616), The Progeria Research Foundation, The Glenn Foundation, KAUST, The Moxie Foundation, the Fundación Dr. Pedro Guillen, the Asociación de Futbolistas Españoles und Universidad Católica San Antonio de Murcia (UCAM).

DOI: 10.1038/s41422-019-0213-0