Усовершенствованный генный редактор позволяет точнее вставлять целые гены

Новый генный редактор evoCAST решает давнюю проблему генной терапии: как добавлять длинные последовательности ДНК в определённые места генома человека, не создавая нежелательных изменений.

Редактор, использующий сложные ферменты бактерий, можно запрограммировать на вставку целого гена или нескольких генов в конкретное место генома человека с эффективностью, пригодной для генной терапии. Подробности описаны в статье в Science.

Потребность в продвинутом редакторе

Существующие методы имеют недостатки: CRISPR-Cas и другие системы точны, но вносят лишь небольшие исправления. Вирусы, наиболее часто используемые в генной терапии, могут вставлять целые гены, но делают это случайно и вызывают иммунный ответ.

Инструмент вроде evoCAST мог бы сделать генную терапию надёжнее и эффективнее, особенно для болезней вроде муковисцидоза и гемофилии, которые вызываются тысячами разных мутаций.

«Сотни и тысячи разных мутаций в гене CFTR могут вызывать муковисцидоз, поэтому потребовалось бы невероятное количество различных препаратов для редактирования генов, чтобы вылечить каждого пациента», — говорит Сэмюэл Стернберг из Колумбийского университета. — «Вместо этого что-то вроде evoCAST могло бы позволить создать единую генную терапию, которая вставляет полный и здоровый ген в геном пациента».

Новая система также может упростить и повысить точность редактирования генов в других медицинских и исследовательских приложениях, включая производство CAR T-клеточных терапий для лечения рака.

Новый редактор создан на основе «прыгающих генов»

evoCAST основан на естественной системе, которую лаборатория Стернберга обнаружила несколько лет назад в бактериях. Она позволяет генам «перепрыгивать» в новые места бактериального генома (такие «прыгающие гены», или транспозоны, могут приносить пользу виду, создавая генетическое разнообразие).

Исследователи поняли, что особенности CAST (CRISPR-ассоциированных транспозаз) делают их привлекательными в качестве систем редактирования генов. Одно преимущество — способность вставлять большие фрагменты ДНК, не разрывая хромосому в процессе (что может вызвать серьёзные ошибки). Другое — «программируемость» системы, которая направляет вставки в любое указанное исследователем место генома.

Адаптация бактериальной системы для работы в человеческих клетках оказалась сложной. Ранние версии технологии работали с низкой эффективностью.

Искусственная эволюция улучшает редактирование

Вместо того чтобы гадать, какие изменения улучшат систему, Стернберг и его аспирант Джордж Ламп обратились к Дэвиду Лю из Гарварда и Broad Institute. Он разработал лабораторную технику PACE, которая ускоряет эволюцию белков.

«PACE "заряжает" эволюцию и улучшает ферменты сверх того, что исследователи обычно могут достичь с помощью целенаправленных, рационально спроектированных модификаций», — говорит Ламп. — «Мутации, полученные с помощью PACE, значительно улучшили производительность всей системы CAST».

После сотен эволюционных поколений новая система evoCAST способна редактировать 30–40% клеток, что является огромным увеличением по сравнению с низкими исходными показателями.

Следующие шаги

Система evoCAST уже достигла эффективности, подходящей для некоторых применений в редактировании генов и генной терапии. Исследователи планируют начать тестирование системы в более релевантных модельных системах.

Одновременно команда продолжает вносить улучшения, включая изменения в другие компоненты evoCAST, для дальнейшего повышения эффективности редактирования.

Но одна из самых больших текущих проблем для evoCAST и других инструментов редактирования больших фрагментов ДНК — доставка.

«Как нам на самом деле доставить эти инструменты и их "полезную нагрузку" в интересующие клетки или ткани? — говорит Стернберг. — Это проблема, с которой сталкиваются многие из нас в этой области».