Nye CRISPR-systemer opdaget, der forbedrer præcisionen i genredigering

Hvad gør os unikke? Forskellig fra de fleste, men alligevel ligesom nogle få? Hvad former vores fysiske, adfærdsmæssige og endda mentale sammensætning? Svaret ligger i vores gener.

Arvet fra forældre til deres afkom indeholder gener informationen, der specificerer fysiske og biologiske egenskaber.

Men det er ikke alt. Gener er også ansvarlige for sygdomme. Defekte gener kan forårsage alle mulige problemer, som kan manifestere sig som medfødte misdannelser, kroniske sygdomme eller udviklingsproblemer.

En højt avanceret måde at tackle dette på er gennem gen- eller genomredigering, som gør det muligt for forskere at foretage præcise ændringer i DNA. Genredigering indebærer at tilføje, fjerne eller ændre det genetiske materiale på specifikke steder.

Disse specifikke, målrettede ændringer i DNA kan føre til ændringer i fysiske egenskaber eller sygdomsrisiko. 

Denne teknologi bruges ikke kun til at behandle genetiske sygdomme ved at korrigere defekte gener, men også til at udvikle nye behandlinger og opnå en dybere forståelse af genfunktion. Derudover kan den forbedre afgrøder ved at foretage præcise ændringer i deres DNA. En velkendt og udbredt genredigeringsteknologi er CRISPR-Cas9, som er baseret på et naturligt forekommende bakterielt forsvarssystem.

CRISPR-Cas9 er afledt af CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), et bakterielt immunsystem, der hjælper bakterier med at forsvare sig mod virusinfektioner ved at genkende og ødelægge viral DNA. 

I dette system fungerer CRISPR som en genetisk homingsenhed, mens Cas9, et protein, fungerer som molekylære ‘sakse’ til at klippe DNA på specifikke steder. Det er enklere, billigere og mere præcist end tidligere genredigeringsteknikker. 

En metode til genomredigering baseret på CRISPR-Cas9-teknologi blev faktisk tildelt Nobelprisen i kemi i 2020. Det var første gang i historien, at en Nobelpris blev tildelt to kvinder.

CRISPR: Transformerer moderne biologi med genredigering

CRISPR blev først identificeret for nogle årtier siden. I 1987 observerede Yoshizumi Ishino og hans team på Osaka University det i (E. coli) bakterielle genomer. Det var dog først i begyndelsen af 2000’erne, at CRISPRs rolle som bakterielt immunforsvar blev identificeret.

I de sidste par år har denne teknologi udviklet sig betydeligt og har transformeret moderne biologi.  

Et eksempel på dette er brugen af CRISPR–Cas9 til at modificere humane embryoceller, hvilket gør det muligt at overføre genetiske ændringer til fremtidige generationer. Dette er blevet bredt kritiseret, med opfordringer til at forbyde arvelige genetiske ændringer.

Udover dette bliver CRISPR–Cas9 og relaterede teknologier også med succes brugt til at kurere livstruende sygdomme. 

I løbet af de første tre måneder af dette år har flere forskere brugt CRISPR til at opnå flere gennembrud.

Tidligere denne måned skabte et team af videnskabsfolk hos Colossal Biosciences ‘uldede mus’ — mus med lang pels, der ligner den uddøde uldmammut. De gjorde dette ved samtidig at redigere syv gener, der er forbundet med hårvækst, farve og tekstur.

Teamet arbejder på flere de-udryddelsesprojekter, herunder thylacine og dodo, med mammut som deres flagskibsprojekt. Alle disse projekter involverer at tage stamceller fra en art, der er tæt beslægtet med den uddøde, og derefter redigere ændringer baseret på den afdøde arts genomer. Til dette brugte forskerne varianter af CRISPR/Cas9- og CRISPR/Cas-systemerne.

Sidste måned opdagede forskere ved MIT’s McGovern Institute for Brain Research og Broad Institute of MIT and Harvard opdagede¹ et gammelt RNA-styret system, der kan udvide værktøjskassen til genomredigering og forenkle leveringen af genredigeringsterapier.

Disse systemer, kaldet TIGR (Tandem Interspaced Guide RNA), kan omprogrammeres til at målrette enhver DNA-sekvens. De har også forskellige funktionelle moduler, der virker på den målrettede DNA. Ud over sin modularitet er TIGR meget kompakt.

Ifølge Feng Zhang, professor i neurovidenskab ved MIT, hvis team tidligere tilpassede bakterielle CRISPR-systemer til genredigeringsværktøjer og fandt forskellige programmerbare proteiner:

“Dette er et meget alsidigt RNA-styret system med mange forskellige funktionaliteter.” 

I deres seneste arbejde fokuserede teamet på en strukturel egenskab ved CRISPR-Cas9-proteinet, der binder til enzymets RNA-guide. De har opdaget over 20.000 forskellige Tas-proteiner, eksperimenteret med dusinvis af dem og demonstreret, at nogle kan programmeres til at foretage målrettede snit i DNA i humane celler. De planlægger nu at udvikle TIGR-Tas-systemerne til programmerbare værktøjer.

Forskere udforsker endda genredigering for at korrigere trisomi på celleniveau. De har for nylig med succes fjernet ekstra kopier af kromosom 21 i Downs syndrom cellelinjer ved brug af CRISPR-Cas9, hvilket genoprettede normal genekspression.

Downs syndrom opstår, når der er en ekstra kopi af kromosom 21. Denne tilstand påvirker omkring 1 ud af 700 levende fødsler, og selvom den let kan diagnosticeres tidligt, findes der i øjeblikket ingen behandlinger.

Men det seneste gennembrud, som blev opnået i laboratoriedyrkede celler, var i stand til at fjerne den ekstra kromosom fra trisomi 21 cellelinjer, som blev afledt både fra pluripotente stamceller og hudfibroblaster, så der kun var én kopi fra hver forælder i stedet for to identiske.

Selvom den ikke er klar til brug i levende organismer, antyder den et potentiale for anvendelse i neuroner og glialceller.

I et andet tilfælde har kinesiske forskere bygget et sikrere genredigeringssystem ved brug af dødelige vira som denguefeber for at forbedre effektivitet og sikkerhed. Systemet bruger mRNA for at undgå risikoen for, at fremmed DNA efterlades og skaber uønskede mutationer.

Ifølge forskerteamet øger det optimerede mRNA-leveringssystem “fleksibiliteten og anvendeligheden af transgenfri genomredigering i planter.”

Så har genredigeringsteknologi revolutioneret ikke kun menneskelig biologi, men også landbrug ved at modificere plantes DNA for at forbedre ønskelige egenskaber som højt udbytte.

Kun denne måned opdagede forskere fra Johns Hopkins University og Cold Spring Harbor Laboratory nøglegener, der bestemmer frugtstørrelse. Disse gener kan kontrolleres med CRISPR, hvilket baner vejen for større og mere smagfulde afgrøder.

Forskningen er en del af en bredere indsats for at kortlægge de komplette genomer af 22 natskyggeafgrøder, herunder kartofler, auberginer og tomater, for at forstå og forbedre deres genetiske egenskaber.

“Når du har foretaget genredigeringen, kræver det kun et frø for at starte en revolution.”

– Medforfatter Michael Schatz, genetiker ved Johns Hopkins University

Alle disse udviklinger viser, hvor langt teknologien er kommet, men det er kun begyndelsen. Forskere ved Duke University og North Carolina State University har nu opdaget nye CRISPR-Cas-systemer, der yderligere forbedrer kapaciteterne i eksisterende genredigeringsteknologier.

Klik her for at lære alt om CRISPR-Cas9. 

Fremskridt inden for CRISPR: Nye systemer øger præcisionen i genredigering

Siden CRISPR-Cas-systemerne først blev opdaget i bakterier, er talrige ortologer blevet identificeret. Ortologer er gener, der er udviklet fra et fælles forfædregene gennem en artsdannelseshændelse. De findes i forskellige arter og kan potentielt bevare den samme funktion.

Mindst seks typer og 33 undertyper af ortologer er blevet karakteriseret, men på trods af dette er type II-systemer de mest udbredte inden for bioteknologi og biomedicinsk forskning. Disse type II-systemer bruger Cas9 til at klippe DNA.

Den lette omprogrammering af Cas9-målsteder har gjort det så populært og har indledt en bølge af potentielle genomredigerings-terapier.

Dog, på trods af den store mængde af bakterielle CRISPR-Cas9-systemer, er kun få effektive i humane celler, hvilket begrænser CRISPR-teknikkens samlede potentiale.

Dette skaber et behov for yderligere Cas9-ortologer for at udvide rækken af målbare DNA-sekvenser. Dette vil også hjælpe med at overvinde leveringsstørrelsesbegrænsninger og forbedre specificiteten og effektiviteten af CRISPR-Cas9-genredigering.

Så udforskede forskerne fra Duke University og NC State University tusindvis af bakterielle genomer for nye CRISPR-Cas-systemer og opdagede nogle, der kan tilføjes til genredigeringsværktøjskassen.

Undersøgelsen, offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)² denne måned, udvider effektivt teknologiens indvirkning på forskning, medicin og bioteknologi.

“Det er faktisk bemærkelsesværdigt, at de første CRISPR-Cas-systemer, som forskere brugte på humane celler, stadig er dem, der fungerer bedst. Vi ønskede at gennemsøge bakterier fundet i mere obskure miljøer for forskellige CRISPR-systemer, der måske har forskellige evner.”

– Charlie Gersbach, professor i biomedicinsk ingeniørvidenskab ved Duke

Blandt de nyopdagede bakterielle genomer er et bestemt system afledt fra bakterier, som typisk findes i malkekøer, lovende for menneskers sundhed.

Denne ortogonale effektor tillader komplementær og fleksibel målretning af forskellige genetiske sekvenser for næste generations genomredigering.

Systemet er også meget effektivt, sammenligneligt med den bredt anvendte Streptococcus pyogenes CRISPR-Cas9. Streptococcus pyogenes er den bakterielle art, som CRISPR-Cas9 og de fleste efterfølgende forskningsprojekter er bygget på.

Ifølge Rodolphe Barrangou, professor i fødevarer, bioprocessering og ernæringsvidenskab ved NC State:

“Der er meget mere CRISPR-Cas-systemdiversitet i naturen, end folk værdsætter, og det kan være meget nyttigt at udvinde diverse effektorer med funktionelt potentiale som molekylære maskiner.”

Flere år før papiret om teknologien modtog Nobelprisen, havde Barrangou karakteriseret CRISPR som et forsvarssystem i bakterier brugt i mælkeopstarterkulturer, og siden da har hans laboratorium udforsket dens diversitet for probiotika, fødevareproduktion, redigering af trægenomer og ændring af træegenskaber.

Barrangou sagde følgende om den seneste forskning:

“Selvom nogle etablerede effektorer som SpyCas9 allerede har vist stort potentiale i klinikken, har vi brug for at udvide CRISPR-værktøjskassen til næste generations manipulation af genom, transkriptom og epigenom.”

Han har udviklet et program kaldet “CRISPRdisco”, som identificerer CRISPR-Cas-systemer i store databaser af bakterielle genomer. Programmet hjalp forskerne med at identificere over 1000 forskellige uudforskede CRISPR-systemer.

Forskerne reducerede disse systemer til kun 50 kandidater, som Gersbachs laboratorium skulle udvikle.

Efter testning af disse CRISPR-systemer i humane celler for deres evner som genaktiverere, repressorer og genetiske samt epigenetiske editorer, skilte fire systemer sig ud med individuelle succeser.

En (SubCas9) var særligt bemærkelsesværdig for sin alsidighed. Denne lovende CRISPR-komponent findes i bakterien Streptococcus uberis, som almindeligt findes i malkekøer og også anvendes i nogle menneskelige probiotiske produkter.

Forskere er begejstrede for SubCas9 af flere grunde. For det første gør det nye systems lille størrelse — mindre end den konventionelt anvendte Cas9 DNA-molekylære skalpel — det lettere at levere i humane celler.

Derudover kan det målrette unikke gensekvenser, som er utilgængelige for andre systemer, inklusive den oprindelige pendant.

Den typisk anvendte Cas9 fungerer ved genomiske mål, der er ved siden af DNA-sekvensen ‘GG’, som er “en ret almindelig DNA-sekvens.” Hvis der ikke er en GG i nærheden, har man brug for et alternativ, og det nye system tilbyder dette ved at arbejde ved steder ved siden af “AATA” eller “AGTA” mønstre.

“Dette system kan give forskere fleksibilitet til at bruge forskellige Cas9’er, når de har brug for at være virkelig præcise med deres valg af målsted.”

– Gabe Butterfield, postdoc-fellow i Gersbach-laboratoriet

Derudover er det mindre sandsynligt, at det genkendes af det menneskelige immunsystem, da S. uberis normalt ikke findes i mennesker. Dette adskiller sig fra bakteriearter, som bruges til at isolere de mere almindelige Cas9-proteiner.

Så hvis det bruges i en terapeutisk anvendelse, vil de fleste menneskers immunsystem ikke genkende SubCas9 fra en tidligere naturlig eksponering.

“Udover potentialet for terapeutiske anvendelser værdsætter vi også, at bakterier, der har tilpasset sig forskellige levesteder, indeholder effektorer, der er bedre egnet til forskellige typer værter, med stort potentiale for opdagelse af systemer, der er mere egnet til planter, husdyr og miljømæssige anvendelser.”

– Barrangou

I det næste skridt vil forskerne undersøge SubCas9’s evne til at omgå forudgående immunitet, som de forventer. De tester også at indarbejde det i en række celle- og gen-terapier. Forskerne kan også vende tilbage til de massive bakterielle metagenomiske databaser for at finde flere CRISPR-systemer til undersøgelse.

Samlet set præsenterer de seneste fremskridt inden for CRISPR-Cas9-genredigering et stort gennembrud, der kan forbedre gen-terapiteknikker betydeligt, så de tillader mere præcise og effektive behandlinger for genetiske lidelser, kræft og andre sygdomme.

Givet den hurtige udvikling inden for CRISPR-forskning, kan disse nye systemer integreres i kliniske anvendelser inden for de næste 3 til 5 år, forudsat yderligere validering og regulatorisk godkendelse.​

Innovativ virksomhed

Editas Medicine, Inc. (EDIT )

Editas Medicine er en førende virksomhed inden for genomredigering, der fokuserer på at udvikle CRISPR-baserede terapier til behandling af en række alvorlige sygdomme.

Det er en klinisk fase genomredigeringsvirksomhed, der udvikler in vivo-administrerede genredigeringsmediciner, hvor behandlingen injiceres direkte i patienten for at redigere celler i deres krop. CEO Gilmore O’Neill, M.B., M.M.Sc, sagde tidligere denne måned, mens han delte forretningsopdateringer, at:

“Vores mål og strategi om at blive en leder inden for in vivo genredigering accelererede i fjerde kvartal, efter at vi opnåede in vivo præklinisk proof of concept foran tidsplanen og delte positive prækliniske in vivo data, der demonstrerede potentialet i vores platformsteknologi til at opnå genopregulering, eller forstærke udtrykket af et eksisterende protein for at opnå klinisk relevante niveauer, som potentielt kan drive helbredelser på tværs af væv med en enkelt dosis.”

På tidspunktet for skrivning handles aktierne i det $117 millioner markedsværdi selskab til $1,41, op 11,02% år-til-dato. Dets EPS (TTM) er -2,88, og P/E (TTM)-forholdet er -0,48.

Tidligere denne måned rapporterede sine fjerde kvartals- og fuldårsresultater for 2024. Nettoresultatet var $45,4 millioner, eller $0,55 per aktie, langt større end de $18,9 millioner, der blev registreret i Q4 2023.

Omsætningen faldt til $30,6 millioner, og forsknings- og udviklingsomkostningerne steg til $48,6 millioner i denne periode.

Ved udgangen af 2024 havde selskabet $269,9 millioner i kontanter, kontantekvivalenter og omsættelige værdipapirer, lidt bedre end ved udgangen af det foregående kvartal. Ifølge selskabets meddelelse forventes disse midler, sammen med de tilbageholdte dele af betalingerne under licensaftalen med Vertex Pharmaceuticals (VRTX ), at finansiere både driftsomkostninger og kapitaludgifter langt ind i Q2 2027.

For hele året 2024 var nettoresultatet $237,1 millioner, eller $2,88 per aktie, samarbejdsindtægter faldt til $32,3 millioner, R&D-omkostninger steg til $199,2 millioner, generelle og administrative omkostninger steg til $72 millioner, og omstruktureringsomkostninger var $12,2 millioner.

Selskabets seneste resultater inkluderer at vise præklinisk proof of concept (PoC) i humaniserede mus og ikke-menneskelige primater.

Denne CTO Linda C. Burkly, Ph.D., udtalte, at det viser selskabets evne til at “opnå in vivo genredigering via genopregulering for at øge niveauet af et fungerende protein for at adressere sygdomme forårsaget af tab af funktion eller skadelige mutationer.” Hun delte yderligere potentialet for genopreguleringsstrategien på tværs af flere væv med ‘plug ’n play’-programmet.

Editas har også meddelt, at de er på rette vej til at annoncere en in vivo udviklingskandidat for hæmatopoietiske stamceller og leverceller i midten af 2025, og inden årsskiftet sigter de mod at dele flere prækliniske in vivo HSC- og leverdata.

Midt i dette afsluttede selskabet sit reni-cel-program for behandling af seglcelleanæmi (SCD) efter, at den omfattende søgning ikke fandt en kommerciel partner. Med dette skridt begyndte virksomheden at iværksætte omkostningsbesparende foranstaltninger, herunder en reduktion af medarbejderstaben med 65 %, omkring 180 jobs.

Seneste om Editas Medicine, Inc.

Konklusion

I løbet af det sidste årti har CRISPR-baserede teknologier revolutioneret bioteknologi ved at muliggøre genomredigering. De har skabt mange nye muligheder for biomedicinsk forskning, terapeutisk genom- og epigenomredigering. 

De nuværende tilgange har dog begrænsninger på grund af deres ensidige fokus på en enkelt Cas9-effektor med udvalgt effektivitet og begrænset målrettet specificitet.

Opdagelsen af nye CRISPR-Cas-systemer markerer et stort fremskridt inden for genredigering. Ved at udvide præcisionen, effektiviteten og alsidigheden af de nuværende teknologier lover den seneste undersøgelse mere målrettede behandlinger for genetiske lidelser og forbedrede landbrugsresultater. Når forskerne forfiner disse systemer, og de får reel anvendelse, kan næste generation af genredigering åbne nye grænser inden for medicin og bioteknologi!

Klik her for en liste over de bedste CRISPR-virksomheder at investere i.