Nieuwe CRISPR‑systemen ontdekt, verbeteren de precisie van genbewerking

Wat maakt ons uniek? Anders dan de meesten, maar toch vergelijkbaar met enkelen? Wat vormt ons fysieke, gedrags- en zelfs mentale karakter? Het antwoord ligt in onze genen.

Van ouders op hun nakomelingen overgedragen, bevatten genen de informatie die fysieke en biologische eigenschappen specificeert.

Maar dat is niet alles. Genen zijn ook verantwoordelijk voor ziekten. Defecte genen kunnen allerlei problemen veroorzaken die zich kunnen uiten als geboorteafwijkingen, chronische ziekten of ontwikkelingsproblemen.

Een zeer geavanceerde manier om dit aan te pakken is via gen- of genoombewerking, waarmee wetenschappers precieze veranderingen in het DNA kunnen aanbrengen. Genbewerking omvat het toevoegen, verwijderen of wijzigen van het genetisch materiaal op specifieke locaties.

Deze specifieke, gerichte veranderingen in DNA kunnen leiden tot wijzigingen in fysieke eigenschappen of ziektegevoeligheid. 

Deze technologie wordt niet alleen gebruikt om genetische ziekten te behandelen door defecte genen te corrigeren, maar ook om nieuwe behandelingen te ontwikkelen en een dieper begrip van genfunctie te verkrijgen. Bovendien kan het gewassen verbeteren door precieze veranderingen in hun DNA aan te brengen. Een bekende en veelgebruikte genbewerkings‑technologie is CRISPR‑Cas9, die gebaseerd is op een natuurlijk voorkomend bacterieel afweersysteem.

CRISPR‑Cas9 is afgeleid van CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), een bacterieel immuunsysteem dat bacteriën helpt zich te verdedigen tegen virale infecties door viraal DNA te herkennen en te vernietigen. 

In dit systeem fungeert CRISPR als een genetisch homing‑apparaat, terwijl Cas9, een eiwit, functioneert als moleculaire ‘schaar’ om DNA op specifieke locaties te knippen. Het is eenvoudiger, goedkoper en nauwkeuriger dan eerdere genbewerkings‑technieken. 

Een methode voor genoombewerking gebaseerd op CRISPR‑Cas9‑technologie werd daadwerkelijk bekroond met de Nobelprijs voor Scheikunde in 2020. Het was de eerste keer in de geschiedenis dat een Nobelprijs aan twee vrouwen werd toegekend.

CRISPR: De moderne biologie transformeren met genbewerking

CRISPR werd voor het eerst enkele decennia geleden geïdentificeerd. In 1987 observeerden Yoshizumi Ishino en zijn team aan de Osaka Universiteit het in (E. coli) bacteriële genomen. Echter, pas begin 2000 werd de rol van CRISPR als bacteriële immuniteit geïdentificeerd.

In de afgelopen jaren heeft deze technologie zich aanzienlijk ontwikkeld en heeft ze de moderne biologie getransformeerd.  

Een voorbeeld hiervan is het gebruik van CRISPR‑Cas9 om menselijke embryocellen te modificeren, waardoor genetische veranderingen kunnen worden doorgegeven aan toekomstige generaties. Dit is breed afgekeurd, met oproepen om erfelijke genetische modificaties te verbieden.

Naast dit gebruik worden CRISPR‑Cas9 en gerelateerde technologieën ook succesvol ingezet om levensbedreigende ziekten te genezen. 

In slechts de eerste drie maanden van dit jaar hebben verschillende onderzoekers CRISPR gebruikt om diverse doorbraken te realiseren.

Earlier this month, a team of scientists at Colossal Biosciences created ‘wooly mice’—mice with long fur similar to the extinct woolly mammoth. They did this by simultaneously editing seven genes linked to hair growth, color, and texture.

Het team werkt aan verschillende de‑extinctieprojecten, waaronder de thylacine en de dodo, waarbij de mammoet hun vlaggenschipproject is. Al deze projecten omvatten het nemen van stamcellen van een soort die nauw verwant is aan de uitgestorven soort en vervolgens veranderingen te bewerken op basis van de genomen van de overleden soort. Hiervoor gebruikten de onderzoekers varianten van de CRISPR/Cas9- en CRISPR/Cas-systemen.

Vorige maand ontdekten wetenschappers van het McGovern Institute for Brain Research van MIT en het Broad Institute of MIT and Harvard ontdekt¹ een oud RNA‑geleid systeem dat de genoombewerkings‑toolbox kan uitbreiden en de levering van genbewerkings‑therapieën kan vereenvoudigen.

Deze systemen, genaamd TIGR (Tandem Interspaced Guide RNA), kunnen worden geherprogrammeerd om elke DNA‑sequentie te targeten. Ze hebben ook verschillende functionele modules die op het getargete DNA werken. Naast zijn modulariteit is TIGR zeer compact.

According to Feng Zhang, een professor in neurowetenschappen aan MIT, wiens team eerder bacteriële CRISPR-systemen heeft aangepast tot genbewerkings‑tools en verschillende programmeerbare eiwitten heeft gevonden:

“Dit is een zeer veelzijdig RNA‑geleid systeem met veel verschillende functionaliteiten.” 

In hun nieuwste werk richtte het team zich op een structureel kenmerk van het CRISPR‑Cas9‑eiwit dat bindt aan de RNA‑gids van het enzym. Ze hebben meer dan 20.000 verschillende Tas‑eiwitten ontdekt, met tientallen ervan geëxperimenteerd, en aangetoond dat sommige geprogrammeerd kunnen worden om gerichte DNA‑sneden te maken in menselijke cellen. Ze zijn nu van plan om TIGR‑Tas‑systemen te ontwikkelen tot programmeerbare tools.

Wetenschappers onderzoeken zelfs genbewerking om trisomie op cellulair niveau te corrigeren. Ze hebben onlangs met succes extra kopieën van chromosoom 21 verwijderd in cellijnen met het Down‑syndroom met behulp van CRISPR‑Cas9, waardoor de normale genexpressie werd hersteld.

Down‑syndroom treedt op wanneer er een extra kopie van chromosoom 21 aanwezig is. Deze aandoening treft ongeveer 1 op de 700 levend geboren baby’s, en hoewel het vroegtijdig gemakkelijk kan worden gediagnosticeerd, bestaan er momenteel geen behandelingen.

Maar de nieuwste doorbraak, die werd bereikt in in vitro gekweekte cellen, kon het extra chromosoom verwijderen uit trisomie‑21‑cellijnen, die zowel uit pluripotente stamcellen als uit huidfibroblasten waren afgeleid, waardoor er slechts één kopie van elke ouder overbleef in plaats van twee identieke.

Hoewel nog niet klaar voor gebruik in levende organismen, suggereert het wel potentieel voor toepassing in neuronen en glia‑cellen.

In een ander geval hebben Chinese wetenschappers een veiliger genbewerkingssysteem ontwikkeld met behulp van dodelijke virussen zoals dengue‑koorts om de efficiëntie en veiligheid te verbeteren. Het systeem gebruikt mRNA om het risico te vermijden dat vreemd DNA achterblijft en ongewenste mutaties veroorzaakt.

Volgens het onderzoeksteam vergroot het geoptimaliseerde mRNA‑leveringssysteem “de flexibiliteit en toepasbaarheid van transgeen‑vrije genoombewerking in planten.”

Dus genbewerkings‑technologie heeft niet alleen de menselijke biologie, maar ook de landbouw gerevolutioneerd door plant‑DNA te wijzigen om gewenste eigenschappen zoals hoge opbrengsten te verbeteren.

Alleen deze maand ontdekten wetenschappers van Johns Hopkins University en Cold Spring Harbor Laboratory belangrijke genen die de fruitgrootte bepalen. Deze genen kunnen met CRISPR worden gereguleerd, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor grotere en smaakvollere oogst.

Het onderzoek maakt deel uit van een bredere initiatief om de volledige genomen van 22 nachtschadegewassen, waaronder aardappelen, aubergines en tomaten, in kaart te brengen om hun genetische eigenschappen te begrijpen en te verbeteren.

“Zodra je de genbewerking hebt uitgevoerd, is één zaadje genoeg om een revolutie te starten.”

– Co‑hoofd auteur Michael Schatz, een geneticus aan de Johns Hopkins University

Al deze ontwikkelingen tonen aan hoe ver de technologie is gekomen, maar het is nog maar het begin. Onderzoekers van Duke University en North Carolina State University hebben nu nieuwe CRISPR‑Cas‑systemen ontdekt die de mogelijkheden van bestaande genbewerkings‑technologieën verder verbeteren.

Klik hier om alles te leren over CRISPR‑Cas9. 

CRISPR vooruitstuwen: Nieuwe systemen verhogen de precisie van genbewerking

Sinds CRISPR‑Cas‑systemen voor het eerst werden ontdekt in bacteriën, zijn talrijke orthologen geïdentificeerd. Orthologen zijn genen die zijn geëvolueerd uit een gemeenschappelijk voorouderlijk gen via een speciatie‑gebeurtenis. Ze komen voor in verschillende soorten en behouden mogelijk dezelfde functie.

Er zijn ten minste zes typen en 33 subtypen van orthologen gekarakteriseerd, maar ondanks dit zijn type‑II‑systemen het meest gebruikt in biotechnologie en biomedisch onderzoek. Deze type‑II‑systemen gebruiken Cas9 om DNA te knippen.

De eenvoud om Cas9‑targetsites te herprogrammeren heeft het zo populair gemaakt en heeft een golf van potentiële genoombewerkings‑therapieën teweeggebracht. 

Echter, ondanks de overvloed aan bacteriële CRISPR‑Cas9‑systemen, zijn er weinig die effectief zijn in menselijke cellen, waardoor het algehele potentieel van CRISPR‑technologie wordt beperkt. 

Dit creëert een behoefte aan extra Cas9‑orthologen om het bereik van targetbare DNA‑sequenties uit te breiden. Dit zal ook helpen om beperkingen in leveringsgrootte te overwinnen en de specificiteit en efficiëntie van CRISPR‑Cas9‑genbewerking te verbeteren.

Dus hebben de onderzoekers van Duke University en NC State University duizenden bacteriële genomen onderzocht op nieuwe CRISPR‑Cas‑systemen en ontdekten ze enkele die aan de genbewerkings‑toolbox kunnen worden toegevoegd.

De studie, gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)² deze maand, vergroot effectief de impact van de technologie op onderzoek, geneeskunde en biotechnologie.

“Het is eigenlijk opmerkelijk dat de eerste CRISPR‑Cas‑systemen die onderzoekers op menselijke cellen gebruikten nog steeds de beste werken. We wilden bacteriën uit meer obscure omgevingen doorzoeken op verschillende CRISPR‑systemen die mogelijk andere mogelijkheden hebben.”

– Charlie Gersbach, professor in biomedische techniek aan Duke

Onder de nieuw ontdekte bacteriële genomen is één specifiek systeem afkomstig van bacteriën die meestal in melkkoeien voorkomen, en toont veelbelovend potentieel voor de menselijke gezondheid.

Deze orthogonale effector maakt complementaire en flexibele targeting van diverse genetische sequenties mogelijk voor de volgende generatie genoombewerking.

Het systeem is ook zeer efficiënt, vergelijkbaar met de veelgebruikte Streptococcus pyogenes CRISPR‑Cas9. Streptococcus pyogenes is de bacteriële soort waarop CRISPR‑Cas9 en het meeste daaropvolgende onderzoek met CRISPR zijn gebaseerd.

Volgens Rodolphe Barrangou, professor in Voedsel, Bioprocessing en Voedingswetenschappen aan NC State:

“Er is veel meer CRISPR‑Cas‑systeemdiversiteit in de natuur dan mensen beseffen, en het kan zeer nuttig zijn om te zoeken naar diverse effectors met functioneel potentieel als moleculaire machines.”

Enkele jaren voordat het artikel over de technologie de Nobelprijs ontving, had Barrangou CRISPR gekarakteriseerd als een afweersysteem in bacteriën die worden gebruikt in zuivelstarterculturen, en sindsdien verkent zijn laboratorium de diversiteit ervan voor probiotica, voedselproductie, het bewerken van boomgenomen en het wijzigen van hout eigenschappen.

Barrangou zei het volgende over het nieuwste onderzoek:

“Hoewel sommige gevestigde effectors zoals SpyCas9 al groot potentieel in de kliniek hebben getoond, moeten we de CRISPR‑toolbox uitbreiden voor manipulatie van het genoom, transcriptome en epigenome van de volgende generatie.” 

Hij heeft een programma ontwikkeld genaamd “CRISPRdisco”, dat CRISPR‑Cas‑systemen identificeert in grote databases van bacteriële genomen. Het programma hielp de onderzoekers meer dan 1000 verschillende onontdekte CRISPR‑systemen te identificeren.

De onderzoekers beperkten die systemen tot slechts 50 kandidaten voor het laboratorium van Gersbach om te ontwikkelen.

Na het testen van deze CRISPR‑systemen in menselijke cellen op hun vermogen als genactivatoren, repressors en genetische en epigenetische editors, vielen vier systemen op door hun individuele successen.

Een (SubCas9) was bijzonder opmerkelijk vanwege zijn veelzijdigheid. Deze veelbelovende CRISPR‑component wordt gevonden in de bacterie Streptococcus uberis, die vaak voorkomt in melkkoeien en ook wordt gebruikt in sommige menselijke probiotische producten.

Onderzoekers zijn enthousiast over SubCas9 om verschillende redenen. Vooral, de kleine omvang van het nieuwe systeem — kleiner dan de conventioneel gebruikte Cas9‑DNA‑moleculaire scalpel — maakt het gemakkelijker om het in menselijke cellen te leveren. 

Bovendien kan het unieke gensequenties targeten die ontoegankelijk zijn voor andere systemen, inclusief de oorspronkelijke tegenhanger. 

De doorgaans gebruikte Cas9 werkt op genomische targets naast de DNA‑sequentie ‘GG’, wat “een vrij veelvoorkomende DNA‑sequentie” is. Echter, als er geen GG in de buurt is, is een alternatief nodig, en het nieuwe systeem biedt dat door te werken op sites naast “AATA” of “AGTA” patronen.

“Dit systeem kan onderzoekers flexibiliteit geven om verschillende Cas9’s te gebruiken wanneer ze echt precies moeten zijn in hun target‑site selectie.”

– Gabe Butterfield, de postdoc fellow in het Gersbach‑lab

Bovendien is het minder waarschijnlijk dat het door het menselijk immuunsysteem wordt herkend, aangezien S. uberis meestal niet in mensen voorkomt. Dit verschilt van bacteriesoorten die worden gebruikt om de meer voorkomende Cas9‑eiwitten te isoleren. 

Dus, indien gebruikt in een therapeutische toepassing, zou het immuunsysteem van de meeste mensen SubCas9 niet herkennen van een eerdere natuurlijke blootstelling.

“Naast het potentieel voor therapeutische toepassingen, waarderen we ook dat bacteriën die zich hebben aangepast aan diverse habitats effectors herbergen die beter geschikt zijn voor verschillende soorten gastheren, met veel potentieel voor de ontdekking van systemen die beter geschikt zijn voor planten, vee en milieutoepassingen.”

– Barrangou

In de volgende stap zullen de onderzoekers de mogelijkheid van SubCas9 onderzoeken om bestaande immuniteit te omzeilen, zoals verwacht. Ze testen ook de integratie ervan in verschillende cel- en gentherapieën. De onderzoekers kunnen ook terugkeren naar de enorme bacteriële metagenomische databases om meer CRISPR‑systemen voor onderzoek te vinden.

Over het geheel genomen vormen de nieuwste ontwikkelingen in CRISPR‑Cas9‑genbewerking een belangrijke doorbraak die gen‑therapietechnieken aanzienlijk kan verbeteren, waardoor meer precieze en efficiënte behandelingen voor genetische aandoeningen, kankers en andere ziekten mogelijk worden. 

Gezien het snelle tempo van CRISPR‑onderzoek, zouden deze nieuwe systemen binnen de komende 3 tot 5 jaar in klinische toepassingen kunnen worden geïntegreerd, afhankelijk van verdere validatie en goedkeuring door regelgevende instanties.​

Innovatief Bedrijf

Editas Medicine, Inc.

Editas Medicine (EDIT ) is een toonaangevend genoombewerkingsbedrijf dat zich richt op het ontwikkelen van CRISPR‑gebaseerde therapieën om een reeks ernstige ziekten te behandelen.

Het is een klinisch fase genoombewerkingsbedrijf dat in vivo toegediende genbewerkingsmedicijnen ontwikkelt, waarbij de behandeling rechtstreeks in de patiënt wordt geïnjecteerd om cellen in het lichaam te bewerken. CEO Gilmore O’Neill, M.B., M.M.Sc, eerder deze maand, tijdens het delen van bedrijfsupdates, zei:

“Ons doel en strategie om een leider te worden in in vivo genbewerking versnelde in het vierde kwartaal nadat we een in vivo preklinisch proof of concept eerder dan gepland hadden bereikt en positieve preklinische in vivo data deelden die het potentieel van onze platformtechnologie aantonen om genupregulatie te bereiken, ofwel de expressie van een bestaand eiwit te versterken tot klinisch relevante niveaus die mogelijk genezingen over weefsels heen kunnen bewerkstelligen met één enkele dosis.” 

Op het moment van schrijven worden de aandelen van het bedrijf met een marktkapitalisatie van $117 miljoen verhandeld tegen $1,41, een stijging van 11,02% YTD. De EPS (TTM) is -2,88, en de P/E (TTM) ratio is -0.48.

Eerder deze maand heeft het bedrijf gerapporteerd zijn financiële resultaten voor het vierde kwartaal en het volledige jaar 2024. Het nettoverlies bedroeg $45,4 miljoen, of $0,55 per aandeel, veel hoger dan de $18,9 miljoen die in Q4 2023 werd geregistreerd. 

De omzet daalde tot $30,6 miljoen, en de onderzoeks- en ontwikkelingskosten stegen tot $48,6 miljoen gedurende deze periode.

Aan het einde van 2024 had het bedrijf $269,9 miljoen aan contanten, kasequivalenten en verhandelbare effecten, iets beter dan aan het einde van het vorige kwartaal. Volgens de aankondiging van het bedrijf verwacht het dat deze middelen, samen met de behouden delen van de betalingen onder de licentieovereenkomst met Vertex Pharmaceuticals (VRTX ), zowel operationele uitgaven als kapitaalinvesteringen zullen financieren tot ver in het tweede kwartaal van 2027.

Voor het volledige jaar 2024 bedroeg het nettoverlies $237,1 miljoen, of $2,88 per aandeel, de samenwerkingsinkomsten daalden tot $32,3 miljoen, de R&D‑kosten stegen tot $199,2 miljoen, de algemene en administratieve kosten stegen tot $72 miljoen, en de herstructureringskosten bedroegen $12,2 miljoen.

De recente prestaties van het bedrijf omvatten het aantonen van preklinisch proof of concept (PoC) in gehumaniseerde muizen en niet‑menselijke primaten.

Deze CTO Linda C. Burkly, Ph.D., zei dat dit de mogelijkheid van het bedrijf aantoont om “in vivo genbewerking te bereiken via genupregulatie om het niveau van een functioneel eiwit te verhogen om ziekten veroorzaakt door functieverlies of schadelijke mutaties aan te pakken.” Ze deelde verder het potentieel van de genupregulatiestrategie over meerdere weefsels met het ‘plug ‘n play’-programma.

Editas heeft ook meegedeeld dat het op schema ligt om medio 2025 een in vivo ontwikkelingskandidaat voor hematopoëtische stamcellen en levercellen aan te kondigen, en tegen het einde van het jaar wil het meer preklinische in vivo HSC‑ en leverdata delen.

Midden in dit alles beëindigde het bedrijf zijn reni‑cel‑programma om sikkelcelziekte (SCD) te behandelen nadat de uitgebreide zoektocht geen commerciële partner opleverde. Met deze stap begon het bedrijf kostenbesparende maatregelen, waaronder een personeelsreductie van 65%, ongeveer 180 banen.

Laatste nieuws over Editas Medicine, Inc.

Conclusie

In het afgelopen decennium hebben CRISPR‑gebaseerde technologieën de biotechnologie gerevolutioneerd door genoombewerking mogelijk te maken. Ze hebben diverse nieuwe kansen gecreëerd voor biomedisch onderzoek, therapeutische genoom‑ en epigenoombewerking. 

Huidige benaderingen ondervinden echter beperkingen vanwege hun onevenwichtige focus op één enkele Cas9‑effector met beperkte efficiëntie en beperkte target‑specificiteit. 

De ontdekking van nieuwe CRISPR‑Cas‑systemen markeert een belangrijke vooruitgang in genbewerking. Door de precisie, efficiëntie en veelzijdigheid van de huidige technologieën uit te breiden, belooft de nieuwste studie meer gerichte behandelingen voor genetische aandoeningen en verbeterde agrarische resultaten. Naarmate onderzoekers deze systemen verfijnen, en zodra ze in de praktijk worden toegepast, zou de volgende generatie genbewerking nieuwe frontiers in de geneeskunde en biotechnologie kunnen ontsluiten!

Klik hier voor een lijst van top CRISPR‑bedrijven om in te investeren.