Uusia CRISPR-järjestelmiä löydetty, parantamassa geenieditoin tarkkuutta

Mikä tekee meistä ainutlaatuisia? Eri kuin useimmat, mutta samankaltaisia muutamien kanssa? Mikä muokkaa fyysistä, käyttäytymis- ja jopa henkistä koostumustamme? Vastaus löytyy geeneistämme.

Vanhemmilta jälkeläisille siirtyvät geenit sisältävät tiedon, joka määrittelee fyysiset ja biologiset ominaisuudet.

Mutta se ei ole kaikki. Geenit ovat myös vastuussa sairauksista. Vialliset geenit voivat aiheuttaa kaikenlaisia ongelmia, jotka voivat ilmetä syntymävirheinä, kroonisia sairauksina tai kehitysongelmina.

Erittäin kehittynyt tapa käsitellä tätä on geenien tai genomin muokkaus, jonka avulla tutkijat voivat tehdä tarkkoja muutoksia DNA:han. Geenieditointi sisältää geneettisen materiaalin lisäämisen, poistamisen tai muokkaamisen tietyissä kohdin.

Nämä tarkat, kohdennetut muutokset DNA:ssa voivat johtaa fyysisten ominaisuuksien tai sairausriskin muutoksiin. 

Tätä teknologiaa käytetään paitsi perinnöllisten sairauksien hoitoon korjaamalla viallisia geenejä, myös uusien hoitojen kehittämiseen ja geenitoiminnan syvemmän ymmärtämiseen. Lisäksi se voi parantaa viljelykasveja tekemällä tarkkoja muutoksia niiden DNA:han. Tunnettu ja laajasti käytetty geenieditointiteknologia on CRISPR-Cas9, joka perustuu luonnollisesti esiintyvään bakteerien puolustusjärjestelmään.
CRISPR-Cas9 on peräisin CRISPR:stä (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), bakteerien immuunijärjestelmästä, joka auttaa bakteereja puolustautumaan virusinfektioita vastaan tunnistamalla ja tuhoamalla virus-DNA:ta. 

Tässä järjestelmässä CRISPR toimii geneettisenä kohdistuslaitteena, kun taas Cas9, proteiini, toimii molekulaarisina ‘sakset’ leikkaamaan DNA:ta tietyissä kohdin. Se on yksinkertaisempi, halvempi ja tarkempi kuin aiemmat geenieditointitekniikat. 

CRISPR-Cas9-teknologiaan perustuva genomin muokkausmenetelmä palkittiin Nobelin palkinnolla kemiassa vuonna 2020. Se oli ensimmäinen kerta historiassa, kun Nobelin palkinto myönnettiin kahdelle naiselle.

CRISPR: Muuttaa nykyaikaista biologiaa geenieditoin avulla

CRISPR tunnistettiin ensimmäisen kerran muutama vuosikymmen sitten. Vuonna 1987 Yoshizumi Ishino ja hänen tiiminsä Osaka-yliopistosta havaitsivat sen (E. coli) bakteerigenomeissa. Kuitenkin vasta 2000-luvun alussa CRISPR:n rooli bakteerien immuunijärjestelmänä tunnistettiin.

Viimeisten vuosien aikana tämä teknologia on kehittynyt merkittävästi ja on muuttanut nykyaikaista biologiaa.  

Yksi esimerkki tästä on CRISPR–Cas9:n käyttö ihmisen alkion soluissa, mikä mahdollistaa geneettisten muutosten siirtymisen tuleville sukupolville. Tätä on laajasti vastustettu, ja on esitetty vaatimuksia periytyvien geneettisten muokkausten kieltämiseksi.

Tämän lisäksi CRISPR–Cas9 ja siihen liittyviä teknologioita käytetään menestyksekkäästi elintärkeiden sairauksien parantamiseen. 

Vain tämän vuoden ensimmäisten kolmen kuukauden aikana useat tutkijat ovat käyttäneet CRISPR:ää saavuttaakseen useita läpimurtoja.

Tämän kuukauden alussa Colossal Biosciencesin tutkijatiimi loi ‘villahiiriä’—hiiriä, joilla on pitkä turkki, samanlainen kuin sukupuuttoon kuolleella villamammutilla. He tekivät tämän muokkaamalla samanaikaisesti seitsemän hiusten kasvua, väriä ja rakennetta koskevaa geeniä.

Tiimi työskentelee useiden sukupuuttoon kuolleiden lajien elvyttämishankkeiden parissa, mukaan lukien tilakani ja dodo, ja mammutti on heidän lippulaivaprojektinsa. Kaikki nämä projektit sisältävät kantasolujen ottamisen lajalta, joka on läheisesti sukua sukupuuttoon kuolleelle lajille, ja sen jälkeen muokkaavat muutokset perustuen kuolleen lajin genomiin. Tätä varten tutkijat käyttivät CRISPR/Cas9- ja CRISPR/Cas-järjestelmien variaatioita.

Viime kuussa MIT:n McGovern Institute for Brain Researchin ja MIT:n ja Harvardin Broad Instituten tutkijat löysivät¹ muinaisen RNA-ohjatun järjestelmän, joka voi laajentaa genomin muokkaustyökalupakkia ja yksinkertaistaa geenieditointiterapioiden toimitusta.

Nämä järjestelmät, nimeltään TIGR (Tandem Interspaced Guide RNA), voidaan ohjelmoida uudelleen kohdistamaan mihin tahansa DNA-jaksoon. Niillä on myös erilaisia toiminnallisia moduuleja, jotka vaikuttavat kohde-DNA:han. Moduulirakenteensa lisäksi TIGR on erittäin kompakti.

Feng Zhangin, MIT:n neurotieteen professorin, mukaan, jonka tiimi on aiemmin soveltanut bakteerien CRISPR-järjestelmiä geenieditointityökaluiksi ja löytänyt erilaisia ohjelmoitavia proteiineja:

“Tämä on erittäin monipuolinen RNA-ohjattu järjestelmä, jossa on paljon erilaisia toiminnallisuuksia.” 

Viimeisimmässä työssään tiimi keskittyi CRISPR-Cas9-proteiinin rakenteelliseen ominaisuuteen, joka sitoo entsyymin RNA-opasta. He ovat löytäneet yli 20 000 erilaista Tas-proteiinia, kokeilleet kymmeniä niistä ja osoittaneet, että jotkut voidaan ohjelmoida tekemään kohdennettuja DNA-leikkauksia ihmisen soluissa. He suunnittelevat nyt kehittävänsä TIGR-Tas-järjestelmiä ohjelmoitaviksi työkaluiksi.

Tiedemiehet tutkivat jopa geenieditointia kolmosomian korjaamiseksi solutasolla. He ovat äskettäin onnistuneesti poistaneet ylimääräiset kromosomi 21:n kopiot Downin oireyhtymän solulinjoissa käyttäen CRISPR-Cas9:ta, palauttaen normaalin geeniekspression.

Downin oireyhtymä syntyy, kun kromosomi 21 on ylimääräinen kopio. Tämä tila vaikuttaa noin yhteen 700:sta syntyneestä lapsesta, ja vaikka se diagnosoidaan helposti varhaisessa vaiheessa, tällä hetkellä sille ei ole hoitoa.

Viimeisin läpimurto, joka saavutettiin laboratoriossa kasvatetuissa soluissa, pystyi poistamaan ylimääräisen kromosomin trisomia 21‑solulinjoista, jotka olivat peräisin sekä pluripotenteista kantasoluista että ihon fibroblasteista, jättäen jäljelle vain yhden kopion kummaltakin vanhemmalta sen sijaan, että olisi kaksi identtistä.

Vaikka se ei ole vielä valmis käytettäväksi elävissä organismeissa, se viittaa mahdollisuuteen soveltaa sitä neuroneissa ja gliaalisoluissa.

Toisessa tapauksessa kiinalaiset tutkijat ovat rakentaneet turvallisemman geenieditointijärjestelmän käyttäen tappavia viruksia, kuten dengue-kuumetta, parantaakseen tehokkuutta ja turvallisuutta.

Tutkimusryhmän mukaan optimoitu mRNA-toimitusjärjestelmä “lisää joustavuutta ja sovellettavuutta geenieditoinnissa ilman transgenejä kasveissa.”

Näin ollen geenieditointiteknologia on mullistanut paitsi ihmisen biologian myös maatalouden muokkaamalla kasvien DNA:ta parantaakseen toivottuja ominaisuuksia, kuten suurta satoa.

Juuri tällä kuukaudella Johns Hopkinsin yliopiston ja Cold Spring Harborin laboratoriosta tulevat tutkijat löysivät avaingeenit, jotka määräävät hedelmän koon. Näitä geenejä voidaan hallita CRISPR:n avulla, avaten tien suuremmille ja maukkaammille tuotteille.

Tutkimus on osa laajempaa hanketta, jonka tavoitteena on kartoittaa 22 yökasvilajin, kuten perunan, munakoison ja tomaatin, täydelliset genomit ymmärtääkseen ja parantaakseen niiden geneettisiä ominaisuuksia.

“Kun olet tehnyt geenieditoinnin, riittää yksi siemen käynnistämään vallankumouksen.”

– Yhteisjohtaja Michael Schatz, genetiikka tutkija Johns Hopkinsin yliopistossa

Kaikki nämä kehitykset osoittavat, kuinka pitkälle teknologia on kehittynyt, mutta se on vasta alkua. Duke-yliopiston ja North Carolina State Universityn tutkijat ovat nyt löytäneet uusia CRISPR-Cas-järjestelmiä, jotka parantavat entisestään olemassa olevien geenieditointiteknologioiden kykyjä.

Klikkaa tästä oppiaksesi kaiken CRISPR-Cas9:stä. 

CRISPR:n edistäminen: Uudet järjestelmät parantavat geenieditoin tarkkuutta

Kun CRISPR-Cas-järjestelmät löydettiin ensimmäisen kerran bakteereista, on tunnistettu lukuisia ortologeja. Ortologit ovat geenejä, jotka ovat kehittyneet yhteisestä esi-isägeenistä lajin eriytymisen myötä. Ne esiintyvät eri lajeissa ja voivat säilyttää saman toiminnon.

Vähintään kuusi tyyppiä ja 33 alatyyppiä ortologeista on luokiteltu, mutta näistä huolimatta tyyppi II‑järjestelmät ovat laajimmin käytettyjä bioteknologiassa ja biolääketieteellisessä tutkimuksessa. Nämä tyyppi II‑järjestelmät käyttävät Cas9:ta DNA:n leikkaamiseen.

Cas9:n kohdesivujen helppo uudelleenohjelmointi on tehnyt siitä suositun ja on avannut aallon mahdollisia genomin muokkausterapioita.

Kuitenkin, bakteerien CRISPR-Cas9-järjestelmien runsaudesta huolimatta vain harvat ovat tehokkaita ihmisen soluissa, mikä rajoittaa CRISPR-teknologian kokonaispotentiaalia.

Tämä luo tarpeen lisä Cas9-ortologeille laajentamaan kohde‑DNA‑jaksojen valikoimaa. Tämä auttaa myös ylittämään toimituskoon rajoituksia ja parantamaan CRISPR-Cas9‑geenieditoinnin tarkkuutta ja tehokkuutta.

Siksi Duke-yliopiston ja NC State Universityn tutkijat tutkivat tuhansia bakteerigenomeja uusien CRISPR-Cas-järjestelmien löytämiseksi ja löysivät joitakin, jotka voidaan lisätä geenieditoinnin työkalupakkiin.

Tutkimus, joka julkaistiin Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)² tässä kuussa, laajentaa tehokkaasti teknologian vaikutusta tutkimukseen, lääketieteeseen ja bioteknologiaan.

“On itse asiassa merkittävää, että ensimmäinen CRISPR-Cas-järjestelmä, jota tutkijat käyttivät ihmisen soluissa, on edelleen se, joka toimii parhaiten. Halusimme tutkia bakteereja, jotka löytyvät vähemmän tunnetuista ympäristöistä, löytääksemme erilaisia CRISPR-järjestelmiä, joilla saattaa olla erilaisia kykyjä.”

– Charlie Gersbach, biolääketieteellisen tekniikan professori Duke

Uusista löydetyistä bakteerigenomeista yksi erityinen järjestelmä, joka on peräisin bakteereista, joita tavallisesti esiintyy maitokanoissa, osoittaa lupaavuutta ihmisten terveydelle.

Tämä ortogonaalinen efektori mahdollistaa täydentävän ja joustavan kohdistamisen erilaisiin geneettisiin sekvensseihin seuraavan sukupolven genomin muokkauksessa.

Järjestelmä on myös erittäin tehokas, verrattavissa laajasti käytettyyn Streptococcus pyogenes CRISPR-Cas9:een. Streptococcus pyogenes on bakteerilaji, jonka pohjalta CRISPR-Cas9 ja suurin osa myöhemmästä CRISPR-tutkimuksesta on rakennettu.

Rodolphe Barrangou, NC State:n elintarvike-, bioprosessointi- ja ravitieteen professorin mukaan:

“Luonnossa on paljon enemmän CRISPR-Cas-järjestelmämonimuotoisuutta kuin ihmiset arvostavat, ja se voi olla erittäin hyödyllistä kaivaa erilaisia efektoreita, joilla on toiminnallinen potentiaali molekyylikoneina.”

Muutama vuosi ennen kuin teknologiaan liittyvä artikkeli sai Nobelin palkinnon, Barrangou oli luokitellut CRISPR:n bakteerien puolustusjärjestelmäksi, jota käytetään maitokulttuureissa, ja sen jälkeen hänen laboratoriotaan on tutkittu sen monimuotoisuutta probiooteissa, elintarviketuotannossa, puiden genomin muokkauksessa ja puun ominaisuuksien muuttamisessa.

Barrangou totesi seuraavaa koskien viimeisintä tutkimusta:

“Vaikka jotkut vakiintuneet efektorit, kuten SpyCas9, ovat jo osoittaneet suuren potentiaalin kliinisessä käytössä, meidän on laajennettava CRISPR-työkalupakkia seuraavan sukupolven genomin, transkriptomin ja epigenomin manipulointiin.”

Hän on kehittänyt ohjelman nimeltä “CRISPRdisco”, joka tunnistaa CRISPR-Cas-järjestelmiä suurista bakteerigenomien tietokannoista. Ohjelma auttoi tutkijoita löytämään yli 1000 erilaista tutkimaton CRISPR-järjestelmää.

Tutkijat rajoittivat nämä järjestelmät 50 ehdokkaaseen, jotka Gersbachin laboratorio voi suunnitella.

Testattaessa näitä CRISPR-järjestelmiä ihmisen soluissa niiden kykyjen osalta geenien aktivointiin, repressioon sekä geneettiseen ja epigenettiseen muokkaukseen, neljä järjestelmää erottuivat yksilöllisistä onnistumisistaan.

Yksi (SubCas9) oli erityisen merkittävä monipuolisuutensa vuoksi. Tämä lupaava CRISPR-komponentti löytyy bakteerista Streptococcus uberis, jota tavallisesti esiintyy maitokanoissa ja jota käytetään myös joissakin ihmisen probioottituotteissa.

Tutkijat ovat innoissaan SubCas9:stä useista syistä. Ensinnäkin, uuden järjestelmän pieni koko — pienempi kuin perinteisesti käytetty Cas9 DNA-molekyylisakset — mahdollistaa sen helpomman toimituksen ihmisen soluihin. 

Lisäksi se voi kohdistaa ainutlaatuisia geenisekvenssejä, jotka ovat muiden järjestelmien, mukaan lukien alkuperäisen, ulottumattomissa.

Tavallisesti käytetty Cas9 toimii genomikohteissa, jotka ovat lähellä DNA-jaksoa ‘GG’, mikä on “melko yleinen DNA-jakso”. Jos GG:tä ei ole lähellä, tarvitaan vaihtoehto, ja uusi järjestelmä tarjoaa sen toimimalla kohteissa, jotka ovat lähellä “AATA” tai “AGTA” -kuvioita.

“Tämä järjestelmä voi antaa tutkijoille joustavuutta käyttää erilaisia Cas9:ita, kun heidän täytyy olla todella tarkkoja kohdesijaintinsa valinnassa.”

– Gabe Butterfield, postdoc-tutkija Gersbachin laboratoriossa

Lisäksi se on vähemmän todennäköisesti tunnistettavissa ihmisen immuunijärjestelmässä, koska S. uberis ei yleensä esiinny ihmisissä. Tämä eroaa bakteerilajeista, joita käytetään yleisempien Cas9-proteiinien eristämiseen.

Joten, jos sitä käytetään terapeuttisessa sovelluksessa, suurin osa ihmisten immuunijärjestelmistä ei tunnistaisi SubCas9:ta aiemmasta luonnollisesta altistuksesta.

“Terapeuttisten sovellusten potentiaalin lisäksi arvostamme myös sitä, että monenlaisiin elinympäristöihin sopeutuneet bakteerit kantavat efektoreita, jotka sopivat paremmin erilaisiin isäntäorganismeihin, ja niissä on suuri potentiaali löytää järjestelmiä, jotka sopivat paremmin kasveille, karjalle ja ympäristösovelluksiin.”

– Barrangou

Seuraavassa vaiheessa tutkijat tarkastelevat SubCas9:n kykyä ohittaa ennestään olemassa oleva immuniteetti, kuten odotetaan. He testaavat myös sen sisällyttämistä useisiin solu- ja geeniterapioihin. Tutkijat saattavat myös palata massiivisiin bakteerimetagenomisiin tietokantoihin löytääkseen lisää tutkittavia CRISPR-järjestelmiä.

Kaiken kaikkiaan viimeisimmät edistysaskeleet CRISPR-Cas9-geenieditoinnissa tarjoavat merkittävän läpimurron, joka voi parantaa merkittävästi geeniterapiatekniikoita, mahdollistaen tarkempia ja tehokkaampia hoitoja perinnöllisiin sairauksiin, syöpiin ja muihin sairauksiin.

Ottaen huomioon CRISPR-tutkimuksen nopean etenemisen, nämä uudet järjestelmät voitaisiin integroida kliinisiin sovelluksiin seuraavan 3–5 vuoden aikana, edellyttäen lisävahvistuksia ja sääntelyhyväksyntöjä.

Innovatiivinen yritys

Editas Medicine, Inc.

Editas Medicine (EDIT ) on johtava genomin muokkausyritys, joka keskittyy kehittämään CRISPR-pohjaisia hoitoja monien vakavien sairauksien hoitamiseksi.

It is a clinical-stage genome editing company developing in vivo-administered gene-editing medicines, where the treatment is injected directly into the patient to edit cells inside their body. CEO Gilmore O’Neill, M.B., M.M.Sc earlier this month, while sharing business updates, said:

“Tavoitteemme ja strategiamme tulla johtavaksi in vivo -geenieditoinnissa kiihtyi neljännen neljänneksen aikana sen jälkeen, kun saavutimme in vivo -preklinisen konseptin todistuksen aikataulua edellä ja jaoimme positiivisia preklinisiä in vivo -tietoja, jotka osoittavat alustamme teknologian potentiaalin saavuttaa geenin yläsäätö, eli olemassa olevan proteiinin ilmentymisen vahvistaminen kliinisesti merkittäviin tasoihin, mikä voisi mahdollisesti johtaa parannuksiin eri kudoksissa yhdellä annoksella.” 

Kirjoitushetkellä $117 miljoonan markkina-arvon omaavan yhtiön osakkeet käyvät kauppaa hintaan $1,41, nousua 11,02 % vuodesta alkaen. Sen EPS (TTM) on -2,88, ja P/E (TTM) -0,48.

Tämän kuukauden alussa yhtiö raportoi neljännen neljänneksen ja koko vuoden 2024 taloudelliset tulokset. Nettotappio oli $45,4 miljoonaa, tai $0,55 per osake, paljon suurempi kuin $18,9 miljoonaa, joka kirjattiin Q4 2023:lla. 

Liikevaihto laski $30,6 miljoonaan, ja tutkimus- ja kehityskulut nousivat $48,6 miljoonaan tänä aikana.

Vuoden 2024 lopussa yhtiöllä oli $269,9 miljoonaa käteisvaroja, käteisenä olevia varoja ja likvidejä arvopapereita, hieman parempi kuin edellisen neljänneksen lopussa. Yhtiön ilmoituksen mukaan se odottaa näiden varojen, sekä osan maksamattomista maksuista, jotka liittyvät lisenssisopimukseen Vertex Pharmaceuticalsin kanssa, rahoittavan sekä toimintakulut että pääomamenot vähintään Q2 2027 asti.

Koko vuoden 2024 nettotappio oli $237,1 miljoona, tai $2,88 per osake, yhteistyötulot laski $32,3 miljoonaan, T&K‑kulut nousivat $199,2 miljoonaan, yleiset ja hallintokulut nousivat $72 miljoonaan, ja uudelleenjärjestelykulut olivat $12,2 miljoonaa.

Yhtiön viimeaikaiset saavutukset sisältävät preklinisen konseptin todistuksen (PoC) näyttämisen ihmisenäistettyjen hiirien ja ei‑ihmisten apinoiden osalta.

Tämä CTO Linda C. Burkly, Ph.D., totesi, että se osoittaa yhtiön kyvyn “saavuttaa in vivo -geenieditointi geenin yläsäätön avulla, jotta toimivan proteiinin tasoa voidaan nostaa hoitamaan toimintahäiriöiden tai haitallisten mutaatioiden aiheuttamia sairauksia.” Hän jakoi myös geenin yläsäätöstrategian potentiaalin useissa kudoksissa ‘plug ‘n play’ -ohjelmalla.

Editas on myös ilmoittanut, että se on aikataulussa ilmoittaa in vivo -kehityskandidaatin hematopoieettisille kantasolu‑ ja maksusoluille kesäkuussa 2025, ja vuoden loppuun mennessä se aikoo jakaa lisää preklinisiä in vivo HSC‑ ja maksutietoja.

Tämän keskellä yhtiö lopetti reni‑cel -ohjelmansa sickle cell -taudin (SCD) hoitamiseksi sen jälkeen, kun laaja etsintä ei saanut kaupallista kumppania. Tämän toimenpiteen myötä yhtiö aloitti kustannusten säästämistoimia, joiden mukaan se vähentää henkilöstöään 65 %, noin 180 työpaikkaa.

Uusimmat Editas Medicine, Inc.:n tiedot

Päätelmä

Viimeisen vuosikymmenen aikana CRISPR-pohjaiset teknologiat ovat mullistaneet bioteknologiaa mahdollistamalla genomin muokkauksen. Ne ovat luoneet monipuolisia uusia mahdollisuuksia biolääketieteellisessä tutkimuksessa, terapeuttisessa genomin ja epigenomin muokkauksessa. 

Nykyiset lähestymistavat kohtaavat kuitenkin rajoituksia, koska ne keskittyvät epäsuhteessa liikaa yhteen Cas9‑efektiiviin, jonka tehokkuus ja kohdistuskyky ovat rajoitettuja. 

Uusien CRISPR-Cas-järjestelmien löytäminen merkitsee merkittävää edistysaskelta geenieditoinnissa. Laajentamalla nykyisten teknologioiden tarkkuutta, tehokkuutta ja monipuolisuutta viimeisin tutkimus lupaa tarkempia hoitoja perinnöllisiin sairauksiin ja parannettuja maataloustuloksia. Kun tutkijat hiomavat näitä järjestelmiä ja ne saavat todellisen käyttöönoton, seuraavan sukupolven geenieditointi voi avata uusia rajoja lääketieteessä ja bioteknologiassa!

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista CRISPR-yrityksistä sijoitettavaksi.