Nya CRISPR-system upptäckta, förbättrar precisionen i genredigering

Vad gör oss unika? Olika från de flesta, men liknande några få? Vad formar vår fysiska, beteendemässiga och till och med mentala sammansättning? Svaret ligger i våra gener.

Gener som överförs från föräldrar till deras avkomma innehåller informationen som bestämmer fysiska och biologiska egenskaper.

Men det är inte allt. Gener är också ansvariga för sjukdomar. Defekta gener kan orsaka alla möjliga problem som kan yttra sig som medfödda missbildningar, kroniska sjukdomar eller utvecklingsproblem.

Ett mycket avancerat sätt att hantera detta är genom gen- eller genomredigering, vilket gör det möjligt för forskare att göra precisa förändringar i DNA. Genredigering innebär att lägga till, ta bort eller ändra det genetiska materialet på specifika platser.

Dessa specifika, riktade förändringar i DNA kan leda till förändringar i fysiska egenskaper eller sjukdomsrisk. 

Denna teknik används inte bara för att behandla genetiska sjukdomar genom att korrigera defekta gener utan också för att utveckla nya behandlingar och få en djupare förståelse för genfunktion. Dessutom kan den förbättra grödor genom att göra precisa förändringar i deras DNA. En välkänd och allmänt använd genredigeringsteknik är CRISPR-Cas9, som bygger på ett naturligt förekommande bakteriellt försvarssystem.

CRISPR-Cas9 härstammar från CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), ett bakteriellt immunsystem som hjälper bakterier att försvara sig mot virusinfektioner genom att känna igen och förstöra viralt DNA. 

I detta system fungerar CRISPR som en genetisk målenhet, medan Cas9, ett protein, fungerar som molekylära ‘saxar’ för att klippa DNA på specifika platser. Det är enklare, billigare och mer exakt än tidigare genredigeringstekniker. 

En metod för genomredigering baserad på CRISPR-Cas9-teknik tilldelades faktiskt Nobelpriset i kemi år 2020. Det var första gången i historien som ett Nobelpris delades ut till två kvinnor.

CRISPR: Förvandlar modern biologi med genredigering

CRISPR identifierades för första gången för några decennier sedan. År 1987 observerade Yoshizumi Ishino och hans team vid Osaka University det i (E. coli) bakteriegenomer. Dock identifierades inte CRISPR:s roll som bakteriellt immunförsvar förrän i början av 2000-talet.

Under de senaste åren har denna teknik utvecklats avsevärt och har förändrat modern biologi.  

Ett exempel på detta är användningen av CRISPR–Cas9 för att modifiera mänskliga embryoceller, vilket möjliggör att genetiska förändringar överförs till framtida generationer. Detta har kraftigt kritiserats, med krav på att förbjuda ärftliga genetiska modifieringar.

Förutom detta används CRISPR–Cas9 och relaterade tekniker också framgångsrikt för att bota livshotande sjukdomar. 

Endast under de första tre månaderna i år har flera forskare använt CRISPR för att uppnå flera genombrott.

Tidigare i månaden skapade ett team av forskare på Colossal Biosciences ‘ulliga möss’—möss med lång päls liknande den utdöda ullhåren mammuten. De gjorde detta genom att samtidigt redigera sju gener kopplade till hårväxt, färg och struktur.

Teamet arbetar med flera de‑extinktionsprojekt, inklusive tasmansvalen och dodo, där mammuten är deras flaggskeppsprojekt. Alla dessa projekt innebär att ta stamceller från en art som är nära besläktad med den utdöda och sedan redigera förändringar baserade på den avlidna artens genom. För detta använde forskarna varianter av CRISPR/Cas9- och CRISPR/Cas-systemen.

Förra månaden upptäckte forskare vid MIT:s McGovern Institute for Brain Research och Broad Institute of MIT and Harvard upptäckte¹ ett uråldrigt RNA‑styrt system som kan utöka verktygslådan för genomredigering och förenkla leveransen av genredigeringsterapier.

Dessa system, kallade TIGR (Tandem Interspaced Guide RNA), kan omprogrammeras för att rikta in sig på vilken DNA-sekvens som helst. De har också distinkta funktionella moduler som verkar på det riktade DNA:t. Förutom sin modularitet är TIGR mycket kompakt.

Enligt Feng Zhang, professor i neurovetenskap vid MIT, vars team tidigare anpassade bakteriella CRISPR-system till genredigeringsverktyg och fann olika programmerbara proteiner:

“Detta är ett mycket mångsidigt RNA‑styrt system med många olika funktioner.” 

I deras senaste arbete fokuserade teamet på en strukturell egenskap hos CRISPR-Cas9-proteinet som binder till enzymets RNA‑guide. De har upptäckt över 20 000 olika Tas-proteiner, experimenterat med dussintals av dem och visat att vissa kan programmeras för att göra riktade klyvningar i DNA i mänskliga celler. De planerar nu att utveckla TIGR‑Tas-system till programmerbara verktyg.

Forskare utforskar till och med genredigering för att korrigera trisomi på cellnivå. De har nyligen framgångsrikt avlägsnat extra kopior av kromosom 21 i cellinjer med Downs syndrom med hjälp av CRISPR-Cas9, vilket återställer normal genuttryck.

Downs syndrom uppstår när det finns en extra kopia av kromosom 21. Detta tillstånd drabbar ungefär 1 av 700 levande födslar, och även om det diagnostiseras tidigt finns för närvarande ingen behandling för detta.

Men det senaste genombrottet, som uppnåddes i laboratorieodlade celler, kunde avlägsna den extra kromosomen från trisomi‑21‑cellinjer, som härstammade både från pluripotenta stamceller och hudfibroblaster, och lämnade endast en kopia från varje förälder istället för två identiska.

Även om det ännu inte är redo för användning i levande organismer, antyder det en potentiell tillämpning i neuroner och gliaceller.

I ett annat fall har kinesiska forskare byggt ett säkrare genredigeringssystem med hjälp av dödliga virus som denguefeber för att förbättra effektivitet och säkerhet. Systemet använder mRNA för att undvika risken att främmande DNA blir kvar och skapar oönskade mutationer.

Enligt forskarteamet ökar det optimerade mRNA‑leveranssystemet “flexibiliteten och tillämpligheten av transgen‑fri genomredigering i växter”.

Alltså har genredigeringstekniken revolutionerat både mänsklig biologi och jordbruk genom att modifiera växt-DNA för att förbättra önskvärda egenskaper som hög avkastning.

Precis den här månaden upptäckte forskare från Johns Hopkins University och Cold Spring Harbor Laboratory nyckelgener som bestämmer fruktsstorlek. Dessa gener kan kontrolleras med CRISPR, vilket banar väg för större och mer smakfulla produkter.

Forskningen är en del av ett bredare initiativ för att kartlägga de kompletta genomerna av 22 nattskatteväxter, inklusive potatis, aubergine och tomat, för att förstå och förbättra deras genetiska egenskaper.

“När du har gjort genredigeringen räcker det med ett frö för att starta en revolution.”\n

– Medförfattare Michael Schatz, genetiker vid Johns Hopkins University

Alla dessa utvecklingar visar hur långt tekniken har kommit, men det är bara början. Forskare vid Duke University och North Carolina State University har nu upptäckt nya CRISPR‑Cas-system som ytterligare förbättrar kapaciteten hos befintliga genredigeringstekniker.
Klicka här för att lära dig allt om CRISPR-Cas9. 

Advancing CRISPR: Nya system förbättrar genredigeringsprecision

Sedan CRISPR‑Cas-systemen först upptäcktes i bakterier har ett flertal ortologer identifierats. Ortologer är gener som utvecklats från en gemensam förfadergen genom en artbildningshändelse. De finns i olika arter och kan potentiellt behålla samma funktion.

Minst sex typer och 33 undertyper av ortologer har karaktäriserats, men trots detta är typ II-system de mest använda inom bioteknik och biomedicinsk forskning. Dessa typ II-system använder Cas9 för att klippa DNA.

Den enkla möjligheten att omprogrammera Cas9:s målplatser har gjort det så populärt och har inlett en våg av potentiella genomredigeringsterapier. 

Trots den stora mängden bakteriella CRISPR‑Cas9-system är dock få effektiva i mänskliga celler, vilket begränsar CRISPR‑teknikens totala potential. 

Detta skapar ett behov av ytterligare Cas9‑ortologer för att utöka antalet möjliga DNA‑sekvenser som kan riktas. Detta kommer också att hjälpa till att övervinna leveransstorleksbegränsningar och förbättra specificiteten och effektiviteten i CRISPR‑Cas9‑genredigering.

Alltså undersökte forskarna från Duke University och NC State University tusentals bakteriella genom för nya CRISPR‑Cas-system och upptäckte några som kan läggas till i genredigeringsverktygslådan.

Studien, publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)² denna månad, utökar effektivt teknikens påverkan på forskning, medicin och bioteknik.

“Det är faktiskt anmärkningsvärt att de första CRISPR‑Cas‑system som forskare använde på mänskliga celler fortfarande är de som fungerar bäst. Vi ville genomsöka bakterier i mer obskyra miljöer för olika CRISPR‑system som kan ha olika förmågor.”

– Charlie Gersbach, professor i biomedicinsk ingenjörsvetenskap vid Duke

Bland de nyupptäckta bakteriella genomerna finns ett särskilt system härlett från bakterier som vanligtvis finns i mjölkkor, vilket visar lovande för mänsklig hälsa.

Denna ortogonala effektor möjliggör komplementär och flexibel målning av olika genetiska sekvenser för nästa generations genomredigering.

Systemet är också mycket effektivt, jämförbart med den allmänt använda Streptococcus pyogenes CRISPR‑Cas9. Streptococcus pyogenes är den bakteriella art som CRISPR‑Cas9 och den mesta efterföljande CRISPR‑forskning bygger på.

Enligt Rodolphe Barrangou, professor i livsmedels‑, bioprocess‑ och näringsvetenskap vid NC State:

“Det finns mycket mer CRISPR‑Cas‑systemdiversitet i naturen än folk uppskattar, och det kan vara mycket användbart att gräva efter olika effektorer med funktionell potential som molekylära maskiner.”

Flera år innan artikeln om tekniken fick Nobelpriset hade Barrangou karakteriserat CRISPR som ett försvarssystem i bakterier som används i mjölkstarterkulturer, och sedan dess har hans laboratorium utforskat dess mångfald för probiotika, livsmedelstillverkning, redigering av trädgenomer och förändring av träegenskaper.

Barrangou sade följande om den senaste forskningen:

“Medan vissa etablerade effektorer som SpyCas9 redan har visat stor potential i kliniken, behöver vi utöka CRISPR‑verktygslådan för nästa generations manipulation av genom, transkriptom och epigenom.” 

Han har utvecklat ett program kallat “CRISPRdisco”, som identifierar CRISPR‑Cas‑system i stora databaser med bakteriella genom. Programmet hjälpte forskarna att identifiera över 1000 olika outforskade CRISPR‑system.

Forskarna reducerade dessa system till endast 50 kandidater för Gersbachs laboratorium att konstruera.

När dessa CRISPR‑system testades i mänskliga celler för deras förmåga som genaktiverare, repressorer samt genetiska och epigenetiska redigerare, stack fyra system ut för sina individuella framgångar.

En (SubCas9) var särskilt anmärkningsvärd för sin mångsidighet. Denna lovande CRISPR‑komponent finns i bakterien Streptococcus uberis, som vanligtvis finns i mjölkkor och även används i vissa mänskliga probiotiska produkter.

Forskare är entusiastiska över SubCas9 av flera skäl. För det första möjliggör det nya systemets lilla storlek — mindre än den konventionellt använda Cas9‑DNA‑molekylära skalpellen — en enklare leverans till mänskliga celler. 

Dessutom kan det rikta in sig på unika gensekvenser som är otillgängliga för andra system, inklusive den ursprungliga motsvarigheten. 

Den vanligen använda Cas9 fungerar vid genomiska mål intill DNA‑sekvensen ‘GG’, vilket är “en ganska vanlig DNA‑sekvens”. Men om ett GG inte finns i närheten behövs ett alternativ, och det nya systemet erbjuder detta genom att verka vid platser intill “AATA” eller “AGTA”-mönster.

“Detta system kan ge forskare flexibilitet att använda olika Cas9 när de behöver vara mycket precisa i valet av målplats.”

– Gabe Butterfield, postdoktoral forskare i Gersbach‑labbet

Dessutom är det mindre sannolikt att det känns igen av det mänskliga immunsystemet eftersom S. uberis vanligtvis inte finns i människor. Detta skiljer sig från bakteriearter som används för att isolera de vanligare Cas9‑proteinerna. 

Alltså, om det används i en terapeutisk tillämpning, skulle de flesta människors immunsystem inte känna igen SubCas9 från en tidigare naturlig exponering.

“Förutom potentialen för terapeutiska tillämpningar uppskattar vi också att bakterier som har anpassat sig till olika livsmiljöer har effektorer som är bättre anpassade för olika typer av värdar, med stor potential för upptäckt av system som är mer lämpade för växter, boskap och miljöapplikationer.”\n

– Barrangou

I nästa steg kommer forskarna att undersöka SubCas9:s förmåga att kringgå befintlig immunitet som de förväntar sig. De testar också att integrera det i ett antal cell- och gen‑terapier. Forskarna kan även återvända till de enorma bakteriella metagenomdatabaserna för att hitta fler CRISPR‑system för vidare undersökning.

Sammanfattningsvis representerar de senaste framstegen inom CRISPR‑Cas9‑genredigering ett stort genombrott som kan förbättra gen‑terapitekniker avsevärt, vilket möjliggör mer precisa och effektiva behandlingar för genetiska sjukdomar, cancer och andra sjukdomar. 

Med tanke på den snabba takten i CRISPR‑forskning kan dessa nya system integreras i kliniska tillämpningar inom de kommande 3 till 5 åren, förutsatt ytterligare validering och regulatoriska godkännanden.​

Innovativt företag

Editas Medicine, Inc.

Editas Medicine (EDIT ) är ett ledande företag inom genomredigering som fokuserar på att utveckla CRISPR‑baserade terapier för att behandla ett antal allvarliga sjukdomar.

Det är ett kliniskt fasat företag för genomredigering som utvecklar in vivo‑administrerade genredigeringsläkemedel, där behandlingen injiceras direkt i patienten för att redigera celler i kroppen. VD Gilmore O’Neill, M.B., M.M.Sc tidigare i månaden, när han delade affärsuppdateringar, sade:

“Vårt mål och strategi att bli ledande inom in vivo‑genredigering accelererades under fjärde kvartalet efter att vi uppnådde in vivo‑preklinisk bevis på koncept i förtid och delade positiv preklinisk in vivo‑data som demonstrerade potentialen i vår plattformsteknologi att uppnå genuppreglering, eller förstärka uttrycket av ett befintligt protein för att nå kliniskt relevanta nivåer som potentiellt kan driva botemedel över vävnader med en enda dos.” 

Vid skrivandet handlas aktierna i det $117 miljoner stora börsvärdesbolaget till $1.41, upp 11,02 % år till datum. Dess EPS (TTM) är -2,88 och P/E‑kvoten (TTM) är -0,48.

Tidigare i månaden rapporterade sina finansiella resultat för fjärde kvartalet och hela år 2024. Nettoförlusten var $45,4 miljoner, eller $0,55 per aktie, betydligt större än de $18,9 miljoner som registrerades under Q4 2023. 

Intäkterna minskade till $30,6 miljoner, och forsknings‑ och utvecklingskostnaderna ökade till $48,6 miljoner under denna period.

I slutet av 2024 hade företaget $269,9 miljoner i kontanter, likvida medel och marknadspapper, något bättre än föregående kvartal. Enligt företagets meddelande förväntas dessa medel, tillsammans med de behållna delarna av betalningarna enligt licensavtalet med Vertex Pharmaceuticals (VRTX ), finansiera både driftskostnader och kapitalutgifter långt in i Q2 2027.

För hela år 2024 var nettoförlusten $237,1 miljoner, eller $2,88 per aktie, samarbetesintäkterna minskade till $32,3 miljoner, FoU‑kostnaderna ökade till $199,2 miljoner, generella och administrativa kostnader ökade till $72 miljoner, och omstruktureringskostnaderna var $12,2 miljoner.

Företagets senaste framsteg inkluderar att visa preklinisk bevis på koncept (PoC) i humaniserade möss och icke‑mänskliga primater.

Denna CTO Linda C. Burkly, Ph.D., sade att det visar företagets förmåga att “uppnå in vivo‑genredigering via genuppreglering för att öka nivån av ett fungerande protein för att behandla sjukdomar orsakade av förlust av funktion eller skadliga mutationer.” Hon delade vidare potentialen i genuppregleringsstrategin över flera vävnader med ‘plug ‘n play’-programmet.

Editas har också meddelat att de är på väg att tillkännage en in vivo‑utvecklingskandidat för hematopoetiska stamceller och leverceller i mitten av 2025, och senast i år planerar de att dela mer preklinisk in vivo‑HSC‑ och leverdata.

Mitt i detta avslutade företaget sitt reni‑cel‑program för att behandla sicklecellsjukdom (SCD) efter att den omfattande sökningen misslyckades med att hitta en kommersiell partner. Med detta steg inledde företaget kostnadsbesparande åtgärder, där de kommer att minska personalstyrkan med 65 %, omkring 180 jobb.

Senaste om Editas Medicine, Inc.

Slutsats

Under det senaste decenniet har CRISPR‑baserade teknologier revolutionerat bioteknik genom att möjliggöra genomredigering. De har skapat en mängd nya möjligheter för biomedicinsk forskning, terapeutisk genom‑ och epigenomredigering. 

Nuvarande metoder har dock begränsningar på grund av deras oproportionerliga fokus på en enda Cas9‑effektor med begränsad effektivitet och inskränkt målprecision. 

Upptäckten av nya CRISPR‑Cas‑system markerar ett stort framsteg inom genredigering. Genom att utöka precision, effektivitet och mångsidighet i nuvarande teknologier lovar den senaste studien mer riktade behandlingar för genetiska sjukdomar och förbättrade jordbruksresultat. När forskare förfinar dessa system och de får verklig användning, kan nästa generation av genredigering öppna nya fronter inom medicin och bioteknik!

Klicka här för en lista över de bästa CRISPR-företagen att investera i.