Besser als CRISPR? Eine andere Möglichkeit, Genprobleme zu beheben, könnte sicherer und vielfältiger sein | Wissenschaften

Werkzeuge wie CRISPR, die DNA schneiden, um ihre Sequenz zu verändern, kommen als Behandlung für einige genetische Krankheiten erstaunlich nahe an die Klinik heran. Aber außerhalb des Rampenlichts freuen sich Forscher zunehmend über eine Alternative, die DNA-Sequenzen unverändert lässt. Diese molekularen Werkzeuge zielen auf das Epigenom ab, die chemischen Marker, die die DNA schmücken, und die Proteine ​​um sie herum, die die Genexpression und ihr letztendliches Verhalten steuern.

Eine Reihe von Studien in den letzten Jahren an Mäusen deutet darauf hin, dass die Epigenom-Editierung eine sicherere und flexiblere Methode ist, um Gene an- oder auszuschalten, als die DNA zu modifizieren. In einem Beispiel, das letzten Monat bei einem Gentherapie-Treffen in Washington, D.C. beschrieben wurde, reduzierte ein italienisches Team die Expression des Gens bei Mäusen, um den Cholesterinspiegel der Tiere monatelang zu senken. Andere Gruppen erforschen die Bearbeitung von Epigenomen, um alles von Krebs über Schmerzen bis hin zur Huntington-Krankheit, einer tödlichen Gehirnerkrankung, zu behandeln.

Im Gegensatz zur DNA-Bearbeitung, bei der Änderungen dauerhaft sind und unbeabsichtigte Folgen haben können, ist es bei epigenomischen Modifikationen weniger wahrscheinlich, dass sie Nebenwirkungen und reversible Effekte verursachen. Sie können auch subtiler sein, indem sie die Genaktivität leicht erhöhen oder verringern, anstatt sie mit voller Wucht zu sprengen oder sie vollständig zu löschen. „Das Spannende ist, dass man mit Technologie viele verschiedene Dinge tun kann“, sagt Charles Gersbach, Forscher für Epigenomeditierung an der Duke University.

Das Hinzufügen oder Entfernen chemischer Markierungen an der DNA und den sie umgebenden Histonproteinen (siehe Abbildung, S. 1035) kann entweder ein Gen zum Schweigen bringen oder seine DNA-Basensequenz anderen Proteinen aussetzen, die es aktivieren. Einige Krebsmedikamente entfernen oder fügen diese chemischen Markierungen hinzu, aber ihr Erfolg als Krankheitsbekämpfer ist begrenzt. Ein Problem ist, dass die Medikamente unkonzentriert sind und auf viele Gene gleichzeitig wirken, nicht nur auf krebsbezogene Gene, was bedeutet, dass sie toxische Nebenwirkungen haben.

Die Bearbeitung des Epigenoms kann jedoch präzise erfolgen, indem dieselben Enzyme genutzt werden, die Zellen verwenden, um ihre Gene ein- und auszuschalten. Die Forscher heften Schlüsselkomponenten dieser Proteine ​​an ein Gen-editierendes Protein, beispielsweise eine „tote“ Version des Cas9-Proteins von CRISPR, das eine bestimmte Stelle im Genom erreichen, aber keine DNA schneiden kann. Ihre Auswirkungen können unterschiedlich sein: Ein Bearbeiter könnte die Markierungen von Histonen entfernen, um das Gen anzuschalten, während ein anderer der DNA Methylgruppen hinzufügen könnte, um es zu unterdrücken.

Vor zwei Jahrzehnten entwarf das Biotech-Unternehmen Sangamo Therapeutics einen Epigenom-Editor, der diese Methode verwendete, die ein Gen mit dem Namen enthüllte VEGF, das das Wachstum von Blutgefäßen fördert, in der Hoffnung, den Blutfluss bei Menschen mit diabetischer Neuropathie wiederherzustellen. Das Unternehmen injizierte in einer klinischen Studie DNA, die für den Herausgeber kodiert, in die Beinmuskeln von etwa 70 Patienten, aber die Behandlung schlug nicht gut an. “Wir konnten es nicht effizient ins Muskelgewebe transportieren”, sagt Fyodor Urnov, ein ehemaliger Sangamo-Wissenschaftler, jetzt am Institute for Innovative Genomics der University of California, Berkeley.

Also wandte sich das Unternehmen dem Adeno-assoziierten Virus (AAV) zu, einem harmlosen Virus, das lange Zeit in der Gentherapie verwendet wurde, um DNA effizient in Zellen zu transportieren. Die Überlegung lautete, dass die Proteinherstellungsmaschinerie der Zelle die DNA-Codierung für einen Epigenom-Editor verwenden würde, um sie konsistent bereitzustellen. Diese Strategie klingt optimistischer: In den letzten drei Jahren hat Sangamo berichtet, dass sie bei Mäusen die Gehirnspiegel des Proteins Tau, eines Proteins, das an der Alzheimer-Krankheit beteiligt ist, sowie die Spiegel des Proteins, das die Huntington-Krankheit verursacht, senken kann.

Andere Teams, die mit Mäusen arbeiten, verwenden einen AAV-Verabreichungsansatz, um ungewöhnlich niedrige Proteinspiegel zu erhöhen, um eine genetische Form von Fettleibigkeit sowie das Dravet-Syndrom, eine schwere Form der Epilepsie, zu behandeln. Letztes Jahr nutzte eine Gruppe ein modifiziertes Epigenom, um ein Gen, das an der Schmerzwahrnehmung beteiligt ist, monatelang auszuschalten, eine potenzielle Alternative zu Opioid-Medikamenten. Ein anderes Team schaltete kürzlich ein Epigenom-editierendes Gen ein, das von einem anderen Virus als dem AAV-Virus übertragen wurde. Sie injizierten es kleinen Ratten, die Alkohol ausgesetzt waren. Der Alkohol unterdrückte die Aktivität des Gens, was wiederum die Tiere unruhig und anfällig für Alkohol macht. Das Team berichtete im Mai, dass der Epigenomeditor das Gen wiedererweckte und die Symptome linderte Wissenschaftlicher Fortschritt.

die Kontrolle

Bei der Genom-Editierung befindet sich ein Gen-Editing-Tool wie eine „tote“ Kopie des Cas9-Proteins aus CRISPR im Gen. Dann fügt das angehängte „Effektor“-Protein chemische Tags auf der DNA und den Histonproteinen hinzu oder entfernt sie, um die sie sich wickeln, wodurch die Genaktivität erhöht oder verringert wird.

N. DESAI /Wissenschaften

AAVs werden mit vielen teuren Kits getestet, und diese DNA-Träger können zusammen mit den fremden Proteinen, die sie kodieren, eine Immunantwort auslösen. Ein weiterer Nachteil ist, dass die DNA-Schleife, die den Epigenomeditor codiert, in den Zellen allmählich verloren geht, wenn sie sich teilen.

Letzten Monat stellten Gen-Editing-Experten auf der Jahrestagung der American Society for Genetic and Cell Therapy in Washington, D.C. eine Alternative vor, um die Nachteile von AAVs zu vermeiden. Ein großer Schritt für die Gruppe unter der Leitung von Angelo Lombardo am San Raffaele Telethon Institute for Gene Therapy kam 2016, als er, Luigi Naldini und andere berichteten Zelle Die Zugabe einer Mischung aus drei verschiedenen Epigenom-Editoren zu Zellen in einer Petrischale begrenzt die Genexpression und dass dies bei der Zellteilung bestehen bleibt.

Das bedeutet, dass sie, anstatt sich auf AAVs zu verlassen, um DNA zu ihren Epigenom-Editoren zu übertragen – und eine endlose Expression zu erzwingen – Lipid-Nanopartikel, eine Art Lipidblasen, verwenden können, um ihren Bauplan als Boten-RNA (mRNA) zu tragen. Auf diese Weise stellen die Zellen das Protein nur für kurze Zeit her, was weniger wahrscheinlich eine Immunantwort auslöst oder Änderungen am Genom an unbeabsichtigten Stellen vornimmt. Diese Nanopartikel gelten allgemein als sicher, insbesondere nachdem sie in den letzten zwei Jahren Hunderten von Millionen Menschen injiziert wurden, um mRNA für COVID-19-Impfstoffe zu liefern.

Das italienische Team brauchte noch einige Jahre, um aus seiner Laborstudie einen tierischen Erfolg zu machen. Auf dem Genomik-Meeting erläuterte Postdoc Martino Cappellotti vom Lombardo-Labor, wie das Team Mäusen Lipidmoleküle injizierte, die mRNA-codierte Epigenom-Editoren trugen, die dazu bestimmt waren, das lebende Gen zum Schweigen zu bringen. PCSK9, die den Cholesterinspiegel beeinflusst. Diese Strategie funktionierte, da eine einzelne Injektion den PCSK9-Proteinspiegel im Serum um 50 % hemmte und das Low-Density-Lipoprotein oder „schlechtes“ Cholesterin für mindestens 180 Tage senkte.

„Ich halte das für einen großen Fortschritt“, sagt Ornov, der hofft, den Lipid-Nanopartikel-Ansatz bald auf andere Krankheitsgene auszudehnen. „Das Wichtigste dabei ist, dass man dem Epigenomeditor nicht ständig seine Stimme geben muss“, sagt Jonathan Wiseman vom Whitehead Institute. Weissmans gemeinsame Führungsarbeit wurde letztes Jahr in berichtet Zelle Auf den verbesserten CRISPR-basierten Epigenom-Editoren, die langfristige Änderungen vornehmen.

Die Forscher sagen, dass die Genombearbeitung besonders nützlich sein könnte, um mehr als ein Gen zu kontrollieren, was mit der DNA-Bearbeitung schwierig sicher zu bewerkstelligen ist. Es kann Krankheiten wie das Dravet-Syndrom behandeln, bei dem eine Person einen Teil des benötigten Proteins herstellt, aber nicht genug, denn wie ein schwaches Licht kann die Strategie die Genexpression modulieren, ohne sie vollständig ein- oder auszuschalten. Mehrere neue Unternehmen hoffen, Behandlungen mit Epigenom-Editoren kommerzialisieren zu können. (Gersbach und Ornov gründeten eines, Tune Therapeutics; Lombardo, Naldini und Weissmann gehörten zu den Gründern eines anderen Unternehmens, Chroma Medicine.)

Trotz aller Aufregung warnen die Forscher, dass es einige Zeit dauern wird, bis die Epigenom-Editierung eine breite Wirkung entfaltet. Die Redakteure arbeiten bei einigen Genen nicht immer wie angekündigt, sagt der Epigenetikforscher David Segal von der UC Davis. Dies mag zum Teil daran liegen, dass, wie der Genetikforscher John Stamatoyanopoulos von der University of Washington, Seattle, befürchtet, die Forscher nicht genau verstehen, was die Redakteure tun, wenn sie Zellen infiltrieren. „Das ist eine Blackbox“, sagt er.

Stamatoyannopoulos stimmt jedoch zu, dass die Bearbeitung des Epigenoms „großes Potenzial“ hat. Jetzt müssen die Forscher ihre Editoren über dem Genom anpassen, sie an anderen Krankheitsgenen und -geweben ausprobieren und sie auf Sicherheit an größeren Tieren testen, bevor sie zum Menschen übergehen.

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