Pergunte aos cientistas que ferramenta de edição de genes é mais necessária para avançar na terapia genética, e eles provavelmente descreveriam um sistema que agora está próximo da realização nos laboratórios de Samuel Sternberg no Columbia College Vagelos Faculty of Physicians and Surgeons e David Liu, no Broad Institute of MIT e Harvard.
O editor de genes – chamado evocast – ajuda bastante a resolver um problema que confundiu o desenvolvimento de terapias genéticas desde o início do campo: como adicionar longos alongamentos de DNA a locais definidos no genoma humano sem criar modificações indesejadas.
A mais recente iteração do editor, que utilizou enzimas complexas encontradas em bactérias, pode ser programada para inserir um gene inteiro – ou múltiplos genes – em um native específico no genoma humano com uma eficiência adequada para terapia genética. Detalhes do editor são descritos em um artigo publicado em 15 de maio em Ciência.
A necessidade de um editor avançado de genes
CRISPR-CAS, Vírus e outros sistemas de edição permitiram que dezenas de medicamentos genéticos agora sendo desenvolvidos para os pacientes, mas todos os métodos atuais têm desvantagens. Alguns métodos são precisos, mas apenas fazem pequenas correções. Os vírus, o método mais usado na terapia genética, podem inserir genes completos, mas o fazem aleatoriamente enquanto ativam as respostas imunes.
Uma ferramenta como evocast poderia tornar a terapia genética mais confiável e eficiente, principalmente para doenças como fibrose cística e hemofilia causada por qualquer uma das milhares de mutações diferentes.
“Centenas a milhares de mutações diferentes no gene CFTR podem causar fibrose cística, por exemplo, portanto, seria necessário um número excessivo de medicamentos de edição de genes distintos para garantir que cada paciente possa ser tratado”, diz Sternberg. “Em vez disso, algo como evocast pode permitir uma única terapia genética que insere um gene completo e saudável no genoma do paciente.
“Há mais trabalho a ser feito, mas evocast representa um marco no desenvolvimento desses sistemas para instalar permanentemente um gene completo e saudável, independentemente do defeito genético subjacente”.
O novo sistema também pode permitir a edição de genes mais simples e precisa em outras aplicações médicas e de pesquisa, incluindo a produção de terapias de células T CAR para tratamento de câncer e linhas celulares transgênicas e organismos modelo necessários para a pesquisa biomédica.
Novo editor desenvolvido a partir de “Leaping Genes”
A evocast é baseada em um sistema pure que o laboratório de Sternberg descobriu há vários anos em bactérias que permitem que os genes entrem em novos locais no genoma bacteriano. (Genes de salto – também conhecidos como transposons – podem beneficiar uma espécie gerando diversidade genética).
O laboratório reconheceu que várias características dos elencos (transposasases associadas ao CRISPR) os tornaram atraentes como possíveis sistemas de edição de genes. Uma vantagem é a capacidade de inserir grandes peças de DNA sem quebrar o cromossomo no processo, que pode introduzir erros graves e não intencionais. Outra é a “programação” do sistema, que direciona as inserções para qualquer native no genoma especificado pelo pesquisador.
A adaptação do sistema bacteriano para uso em células humanas mostrou -se desafiador. O estudante de pós -graduação de Sternberg, George Lampe, desenvolveu com sucesso o sistema para trabalhar em células humanas, mas as versões iniciais da tecnologia funcionavam com baixa eficiência.
Sternberg esperava a dificuldade. “Existem sistemas de elenco para ajudar os genes móveis a saltarem do genoma em vez de escalares evolutivos. Eles não estão sob pressão seletiva para agir com eficiência, por isso argumentamos que haveria uma necessidade maior de espremer mais atividades desses sistemas em comparação com o CRISPR-CAS9, que evoluiu para um sistema muito potente e eficiente para salvar bactérias de infecções virais”.
A evolução synthetic melhora a edição de genes
Em vez de adivinhar quais mudanças poderiam melhorar seu sistema, Sternberg e Lampe se voltaram para David Liu, um biólogo molecular e químico orgânico em Harvard e o Broad Institute, que estabeleceu uma técnica de laboratório, ritmo, que acelera a evolução das proteínas. Lampe empurrou o desempenho do sistema a um ponto que fez do ritmo uma opção viável, e Isaac Witte e Simon Eitzinger, dois estudantes de pós -graduação no laboratório de Liu, transferiram o sistema para o ritmo, o que permitiu que centenas de rodadas de evolução fossem realizadas com uma intervenção mínima.
“O ritmo de turbocompressor evolução e melhora as enzimas além do que os pesquisadores normalmente podem realizar com modificações direcionadas e projetadas racionalmente”, diz Lampe. “As mutações adquiridas através do ritmo melhoraram bastante o desempenho de todo o sistema de elenco”.
Após centenas de gerações evolutivas, o novo sistema de evocast é capaz de editar 30% a 40% das células, um enorme aumento das taxas de edição mais baixas do sistema authentic.
PRÓXIMOS PASSOS
O sistema de evocast já alcançou eficiências adequadas para algumas aplicações de edição de genes e terapia genética, e os pesquisadores estão procurando começar a testar seu sistema em sistemas de modelos mais relevantes.
Ao mesmo tempo, a equipe continua fazendo melhorias, incluindo alterações em outros componentes de evocast, para melhorar ainda mais a eficiência da edição.
Mas um dos maiores desafios no momento para evocast, e outras grandes ferramentas de edição de DNA em desenvolvimento é a entrega.
“Como realmente obtemos essas ferramentas e suas cargas úteis nas células ou tecidos de interesse?” Sternberg diz. “Esse é um desafio que muitos de nós no campo estamos enfrentando”.
