Nye CRISPR-systemer oppdaget, som forbedrer presisjonen i genredigering

Hva gjør oss unike? Ulike fra de fleste, men like som noen få? Hva former vår fysiske, atferdsmessige og til og med mentale sammensetning? Svaret ligger i genene våre.

Arvet fra foreldre til deres avkom, inneholder gener informasjonen som spesifiserer fysiske og biologiske egenskaper.

Men det er ikke alt. Gener er også ansvarlige for sykdommer. Defekte gener kan forårsake alle slags problemer som kan manifestere seg som medfødte misdannelser, kroniske sykdommer eller utviklingsproblemer.

En svært avansert måte å takle dette på er gjennom gen- eller genomredigering, som gjør det mulig for forskere å gjøre presise endringer i DNA. Genredigering innebærer å legge til, fjerne eller endre det genetiske materialet på spesifikke steder.

Disse spesifikke, målrettede endringene i DNA kan føre til endringer i fysiske egenskaper eller sykdomsrisiko. 

Denne teknologien brukes ikke bare til å behandle genetiske sykdommer ved å korrigere defekte gener, men også til å utvikle nye behandlinger og få en dypere forståelse av genfunksjon. I tillegg kan den forbedre avlinger ved å gjøre presise endringer i deres DNA. En velkjent og mye brukt genredigeringsteknologi er CRISPR-Cas9, som er basert på et naturlig forekommende bakterielt forsvarssystem.

CRISPR-Cas9 er avledet fra CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), et bakterielt immunsystem som hjelper bakterier med å forsvare seg mot virusinfeksjoner ved å gjenkjenne og ødelegge viralt DNA. 

I dette systemet fungerer CRISPR som en genetisk homingsenhet, mens Cas9, et protein, fungerer som molekylære ‘saks’ for å kutte DNA på spesifikke steder. Det er enklere, billigere og mer presist enn tidligere genredigeringsteknikker. 

En metode for genomredigering basert på CRISPR-Cas9-teknologi ble faktisk tildelt Nobelprisen i kjemi i 2020. Det var første gang i historien at en Nobelpris ble tildelt to kvinner.

CRISPR: Transformerer moderne biologi med genredigering

CRISPR ble først identifisert for noen tiår siden. I 1987 observerte Yoshizumi Ishino og hans team ved Osaka University den i (E. coli) bakteriegener. Imidlertid ble ikke CRISPRs rolle som bakteriell immunitet identifisert før tidlig på 2000-tallet.

I de siste årene har denne teknologien utviklet seg betydelig og har transformert moderne biologi.  

Et eksempel på dette er bruken av CRISPR–Cas9 for å endre humane embryoceller, noe som gjør det mulig å overføre genetiske endringer til fremtidige generasjoner. Dette har blitt bredt kritisert, med krav om å forby arvelige genetiske modifikasjoner.

I tillegg blir CRISPR–Cas9 og relaterte teknologier også brukt med suksess for å kurere livstruende sykdommer. 

Bare i de første tre månedene av dette året har flere forskere brukt CRISPR til å oppnå flere gjennombrudd.

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.

Teamet jobber med flere de-utryddelsesprosjekter, inkludert tasmann og dodo, med mammuten som deres flaggskipprosjekt. Alle disse prosjektene innebærer å ta stamceller fra en art som er nært beslektet med den utdødde, og deretter redigere endringer basert på det døde artenes genom. Til dette brukte forskerne varianter av CRISPR/Cas9- og CRISPR/Cas-systemene.

Forrige måned oppdaget forskere ved MITs McGovern Institute for Brain Research og Broad Institute of MIT and Harvard oppdaget¹ et gammelt RNA-styrt system som kan utvide verktøykassen for genomredigering og forenkle leveringen av genredigeringsbehandlinger.

Disse systemene, kalt TIGR (Tandem Interspaced Guide RNA), kan omprogrammeres til å målrette enhver DNA-sekvens. De har også distinkte funksjonelle moduler som virker på den målrettede DNA-en. I tillegg til sin modularitet er TIGR svært kompakt.

According to Feng Zhang, professor i nevrovitenskap ved MIT, hvis team tidligere tilpasset bakterielle CRISPR-systemer til genredigeringsverktøy og fant ulike programmerbare proteiner:

“Dette er et svært allsidig RNA-styrt system med mange ulike funksjonaliteter.” 

I deres siste arbeid fokuserte teamet på en strukturell egenskap ved CRISPR-Cas9-proteinet som binder seg til enzymets RNA-guide. De har oppdaget over 20 000 forskjellige Tas-proteiner, eksperimentert med dusinvis av dem, og demonstrert at noen kan programmeres til å gjøre målrettede kutt i DNA i humane celler. De planlegger nå å utvikle TIGR-Tas-systemer til programmerbare verktøy.

Forskere utforsker til og med genredigering for å korrigere trisomi på cellenivå. De har nylig med suksess fjernet ekstra kopier av kromosom 21 i Down-syndrom cellelinjer ved bruk av CRISPR-Cas9, og gjenopprettet normal genuttrykk.

Down-syndrom oppstår når det er en ekstra kopi av kromosom 21. Denne tilstanden påvirker omtrent 1 av 700 levende fødte, og selv om den lett kan diagnostiseres tidlig, finnes det foreløpig ingen behandlinger.

Men det siste gjennombruddet, som ble oppnådd i laboratoriedyrkede celler, klarte å fjerne den ekstra kromosomen fra trisomi 21 cellelinjer, som var avledet både fra pluripotente stamceller og hudfibroblaster, og etterlot kun én kopi fra hver forelder i stedet for to identiske.

Selv om det ikke er klart for bruk i levende organismer, antyder det potensial for anvendelse i nevroner og glialceller.

I et annet tilfelle har kinesiske forskere bygget et tryggere genredigeringssystem ved å bruke dødelige virus som denguefeber for å forbedre effektivitet og sikkerhet. Systemet bruker mRNA for å unngå risikoen for at fremmed DNA blir igjen og skaper uønskede mutasjoner.

Ifølge forskerteamet øker det optimaliserte mRNA-leveringssystemet «fleksibiliteten og anvendeligheten av transgenfri genomredigering i planter».

Dermed har genredigeringsteknologi revolusjonert ikke bare menneskebiologi, men også landbruket ved å modifisere plantenes DNA for å forbedre ønskelige egenskaper som høye avlinger.

Bare denne måneden oppdaget forskere fra Johns Hopkins University og Cold Spring Harbor Laboratory nøkkelgener som bestemmer frukstørrelse. Disse genene kan kontrolleres med CRISPR, og baner vei for større og mer smakfullt avkast.

Forskningen er en del av et bredere initiativ for å kartlegge de komplette genommene til 22 nattlysplanter, inkludert poteter, auberginer og tomater, for å forstå og forbedre deres genetiske egenskaper.

«Når du har gjort genredigeringen, er det bare ett frø som trengs for å starte en revolusjon.»

– Medforfatter Michael Schatz, genetiker ved Johns Hopkins University

Alle disse utviklingene viser hvor langt teknologien har kommet, men det er bare begynnelsen. Forskere ved Duke University og North Carolina State University har nå oppdaget nye CRISPR-Cas-systemer som ytterligere forbedrer mulighetene til eksisterende genredigeringsteknologier.

Klikk her for å lære alt om CRISPR-Cas9. 

Advancing CRISPR: New Systems Boost Gene Editing Precision

Siden CRISPR-Cas-systemene først ble oppdaget i bakterier, har mange ortologer blitt identifisert. Ortologer er gener som har utviklet seg fra et felles forfaringsgen gjennom en artsdannelseshendelse. De finnes i ulike arter og kan potensielt beholde samme funksjon.

Minst seks typer og 33 undertyper av ortologer har blitt karakterisert, men til tross for dette er type II-systemer de mest brukte i bioteknologi og biomedisinsk forskning. Disse type II-systemene bruker Cas9 til å kutte DNA.

Den enkle omprogrammeringen av Cas9-målsteder har gjort den så populær og har innledet en bølge av potensielle genomredigeringsbehandlinger. 

Imidlertid, til tross for overfloden av bakterielle CRISPR-Cas9-systemer, er få effektive i humane celler, noe som begrenser CRISPR-teknologiens samlede potensial. 

Dette skaper et behov for flere Cas9-ortologer for å utvide spekteret av målbare DNA-sekvenser. Dette vil også bidra til å overvinne begrensninger i leveringsstørrelse og forbedre spesifisiteten og effektiviteten til CRISPR-Cas9-genredigering.

Dermed utforsket forskerne fra Duke University og NC State University tusenvis av bakteriegener for nye CRISPR-Cas-systemer og oppdaget noen som kan legges til i genredigeringsverktøykassen.

Studien, publisert i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)² denne måneden, utvider effektivt teknologiens innvirkning på forskning, medisin og bioteknologi.

«Det er faktisk bemerkelsesverdig at de første CRISPR-Cas-systemene forskerne brukte på humane celler fortsatt er den som fungerer best. Vi ønsket å undersøke bakterier fra mer obskure miljøer for ulike CRISPR-systemer som kan ha forskjellige evner.»

– Charlie Gersbach, professor i biomedisinsk ingeniørfag ved Duke

Blant de nyoppdagede bakteriegenomene er ett spesielt system avledet fra bakterier som vanligvis finnes i melke‑kyr, og viser lovende potensial for menneskers helse.

Denne ortogonale effektoren gjør det mulig med komplementær og fleksibel målretting av ulike genetiske sekvenser for neste generasjons genomredigering.

Systemet er også svært effektivt, sammenlignbart med den mye brukte Streptococcus pyogenes CRISPR-Cas9. Streptococcus pyogenes er bakteriearten som CRISPR-Cas9 og mest påfølgende forskning med CRISPR er bygget på.

Ifølge Rodolphe Barrangou, professor i mat, bioprosessering og ernæringsvitenskap ved NC State:

«Det finnes mye mer CRISPR-Cas-systemmangfold i naturen enn folk innser, og det kan være svært nyttig å utvinne ulike effektorer med funksjonell potensial som molekylære maskiner.»

Flere år før artikkelen om teknologien mottok Nobelprisen, hadde Barrangou karakterisert CRISPR som et forsvarssystem i bakterier brukt i melkeoppstarterkulturer, og siden da har hans laboratorium utforsket mangfoldet for probiotika, matproduksjon, redigering av tregenomer og endring av treegenskaper.

Barrangou sa følgende om den siste forskningen:

«Selv om noen etablerte effektorer som SpyCas9 allerede har vist stort potensial i klinikken, må vi utvide CRISPR-verktøykassen for neste generasjons manipulering av genom, transkriptom og epigenom.» 

Han har utviklet et program kalt “CRISPRdisco”, som identifiserer CRISPR-Cas-systemer i store databaser av bakteriegenomer. Programmet hjalp forskerne med å identifisere over 1000 forskjellige uutforskede CRISPR-systemer.

Forskerne reduserte disse systemene til kun 50 kandidater for Gersbachs laboratorium å konstruere.

Etter testing av disse CRISPR-systemene i humane celler for deres evner som genaktiverere, repressorer og genetiske og epigenetiske redigerere, skilte fire systemer seg ut for sine individuelle suksesser.

En (SubCas9) var spesielt bemerkelsesverdig for sin allsidighet. Denne lovende CRISPR-komponenten finnes i bakterien Streptococcus uberis, som vanligvis finnes i melke‑kyr og også brukes i noen menneskelige probiotiske produkter.

Forskerne er begeistret for SubCas9 av flere grunner. For det første gjør den nye systemets lille størrelse — mindre enn den konvensjonelt brukte Cas9 DNA‑molekylære skalpell — det lettere å levere den inn i humane celler. 

I tillegg kan den målrette unike gensekvenser som er utilgjengelige for andre systemer, inkludert den originale motparten. 

Den vanlig brukte Cas9 fungerer på genomiske mål ved siden av DNA‑sekvensen ‘GG’, som er «en ganske vanlig DNA‑sekvens». Men hvis en GG ikke er i nærheten, trengs et alternativ, og det nye systemet tilbyr dette ved å fungere på steder ved siden av “AATA” eller “AGTA”-mønstre.

«Dette systemet kan gi forskere fleksibilitet til å bruke forskjellige Cas9 når de trenger å være virkelig presise med valg av målsted.»

– Gabe Butterfield, postdoktor i Gersbach‑laben

I tillegg er det mindre sannsynlig at det blir gjenkjent av det menneskelige immunsystemet siden S. uberis vanligvis ikke finnes i mennesker. Dette er ulikt bakteriearter som brukes til å isolere de mer vanlige Cas9‑proteinene. 

Dermed, hvis det brukes i en terapeutisk anvendelse, vil de fleste menneskers immunsystemer ikke gjenkjenne SubCas9 fra en tidligere naturlig eksponering.

«I tillegg til potensialet for terapeutiske anvendelser, verdsetter vi også at bakterier som har tilpasset seg ulike habitater inneholder effektorer som er bedre egnet for ulike typer verter, med stort potensial for oppdagelse av systemer som er mer egnet for planter, husdyr og miljøapplikasjoner.»

– Barrangou

I neste steg vil forskerne undersøke SubCas9s evne til å omgå eksisterende immunitet som de forventer. De tester også å integrere den i en rekke celle‑ og genbehandlinger. Forskerne kan også gå tilbake til de enorme bakterielle metagenomiske databasene for å finne flere CRISPR‑systemer for videre undersøkelse.

Samlet sett representerer de siste fremskrittene innen CRISPR‑Cas9‑genredigering et stort gjennombrudd som kan forbedre genbehandlingsteknikker betydelig, og tillate mer presise og effektive behandlinger for genetiske lidelser, kreft og andre sykdommer. 

Gitt den raske utviklingen innen CRISPR‑forskning, kan disse nye systemene integreres i kliniske anvendelser innen de neste 3 til 5 år, avhengig av ytterligere validering og regulatoriske godkjenninger.​

Innovativt selskap

Editas Medicine, Inc.

Editas Medicine (EDIT ) er et ledende selskap innen genomredigering som fokuserer på å utvikle CRISPR‑baserte terapier for å behandle en rekke alvorlige sykdommer.

Det er et klinisk fase selskap innen genomredigering som utvikler in vivo‑administrerte genredigeringsmedisiner, hvor behandlingen injiseres direkte i pasienten for å redigere celler i kroppen. Administrerende direktør Gilmore O’Neill, M.B., M.M.Sc, tidligere denne måneden, mens han delte forretningsoppdateringer, sa:

«Vårt mål og strategi om å bli en leder innen in vivo‑genredigering akselererte i fjerde kvartal etter at vi oppnådde in vivo preklinisk bevis på konsept foran tidsplanen og delte positive prekliniske in vivo‑data som demonstrerer potensialet i vår plattformteknologi for å oppnå genoppregulering, eller forsterke uttrykket av et eksisterende protein for å nå klinisk relevante nivåer som potensielt kan gi kur mot flere vev med en enkelt dose.» 

Per skrivende stund handles aksjene i selskapet med en markedsverdi på 117 millioner dollar til $1,41, opp 11,02 % år‑til‑dato. Dens EPS (TTM) er -2,88, og P/E‑forholdet (TTM) er -0,48.

Tidligere denne måneden rapporterte selskapet rapporterte sine kvartals‑ og årsresultater for 2024. Nettoresultatet var et tap på 45,4 millioner dollar, eller $0,55 per aksje, betydelig større enn de 18,9 millioner dollar som ble registrert i Q4 2023. 

Inntektene sank til 30,6 millioner dollar, og forsknings‑ og utviklingskostnadene økte til 48,6 millioner dollar i denne perioden.

Ved utgangen av 2024 hadde selskapet 269,9 millioner dollar i kontanter, kontantekvivalenter og lett omsettelige verdipapirer, noe som er litt bedre enn ved forrige kvartalsslutt. I henhold til selskapets kunngjøring forventes disse midlene, sammen med de beholdte delene av betalingene som skal betales under lisensavtalen med Vertex Pharmaceuticals (VRTX ), å finansiere både driftskostnader og kapitalutgifter langt inn i Q2 2027.

For hele 2024 var nettoresultatet et tap på 237,1 millioner dollar, eller $2,88 per aksje, samarbeidsinntektene sank til 32,3 millioner dollar, FoU‑kostnadene økte til 199,2 millioner dollar, generelle og administrative kostnader økte til 72 millioner dollar, og restruktureringskostnadene var 12,2 millioner dollar.

Selskapets nylige prestasjoner inkluderer å vise preklinisk bevis på konsept (PoC) i humaniserte mus og ikke‑menneskelige primater.

Denne CTO-en Linda C. Burkly, Ph.D., uttalte at dette viser selskapets evne til å «oppnå in vivo‑genredigering via genoppregulering for å øke nivået av et fungerende protein for å behandle sykdommer forårsaket av tap av funksjon eller skadelige mutasjoner». Hun delte videre potensialet for genoppreguleringsstrategien på tvers av flere vev med ‘plug ‘n play’-programmet.

Editas har også meddelt at de er på vei til å kunngjøre en in vivo‑utviklingskandidat for hematopoietiske stamceller og leverceller i midten av 2025, og innen årsskiftet har de som mål å dele mer preklinisk in vivo HSC‑ og leverdata.

Midt i dette avsluttet selskapet sitt reni‑cel‑program for å behandle sigdcelleanemi (SCD) etter at den omfattende søken ikke klarte å skaffe en kommersiell partner. Med dette trekket startet selskapet kostnadsbesparende tiltak, hvor de vil redusere bemanningen med 65 %, omtrent 180 stillinger.

Siste nytt om Editas Medicine, Inc.

Konklusjon

I løpet av det siste tiåret har CRISPR‑baserte teknologier revolusjonert bioteknologi ved å muliggjøre genomredigering. De har skapt mangfoldige nye muligheter for biomedisinsk forskning, terapeutisk genom‑ og epigenomredigering. 

Nåværende tilnærminger har imidlertid begrensninger på grunn av deres ensidige fokus på en enkelt Cas9‑effektor med begrenset effektivitet og innskrenket målrettingsspesifisitet. 

Oppdagelsen av nye CRISPR‑Cas‑systemer markerer et stort fremskritt innen genredigering. Ved å utvide presisjon, effektivitet og allsidighet i dagens teknologier, lover den siste studien mer målrettede behandlinger for genetiske lidelser og forbedrede landbruksresultater. Når forskere finpusser disse systemene, og de får reell anvendelse, kan neste generasjon av genredigering åpne nye grenser innen medisin og bioteknologi!

Klikk her for en liste over de beste CRISPR‑selskapene å investere i.