Genbewerking brengt een revolutie teweeg in het biowetenschappelijke onderzoekslandschap en is veelbelovend voor het "verwijderen" van ziekten uit het menselijk lichaam. Sandia National Laboratories werkt eraan om deze technologie veiliger te maken en ervoor te zorgen dat deze op een dag bij mensen kan worden toegediend zonder nadelige reacties van het immuunsysteem of andere ongewenste bijwerkingen te veroorzaken.

Sandia-biochemicus Joe Schoeniger legt uit dat de technologie voor het bewerken van genen is gebaseerd op een "miljard jaar oude wapenwedloop" tussen bacteriën en de virussen die ze proberen aan te vallen.

Bacteriën bewaren stukjes binnenvallend viraal DNA met behulp van een systeem genaamd Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats of CRISPR. Dit systeem helpt bacteriën een virus te herkennen wanneer het terugkeert voor een herhaalde aanval. Het CRISPR-systeem produceert Cas9, een enzym dat zich bindt aan het aanstootgevende virale DNA, dan snijdt en vernietigt het.

Dit bacteriële afweersysteem kan worden geprogrammeerd. Wetenschappers kunnen CRISPR-Cas9 naar een precieze locatie sturen om een ​​specifiek stukje DNA te veranderen.

Het vermogen om DNA te veranderen is nuttig, vooral als het gaat om genetische ziekten, maar wijzigingen in het DNA zijn momenteel onomkeerbaar. Het gebruik van de technologie zoals die nu is, kan leiden tot onbedoelde, gevaarlijke en blijvende bijwerkingen. Het kan een genoom op de verkeerde plaats knippen (d.w.z. hebben off-target effecten), mogelijk ziekte veroorzaken.

In aanvulling, CRISPR-Cas9 heeft een drager nodig om in menselijke cellen te worden afgeleverd. Typisch, deze drager is een virus dat verband houdt met de gewone verkoudheid, het adeno-geassocieerd virus. Volgens Sandia-viroloog Oscar Negrete, een meerderheid van de mensen is ooit blootgesteld aan stammen van dit virus. Dit betekent dat mensen er snel antistoffen tegen maken, waardoor het een therapie voor eenmalig gebruik is. Zelfs bij dat eerste gebruik, patiënten hebben waarschijnlijk een immuunreactie, Negrete legde uit. Er zijn nieuwe benaderingen nodig die het mogelijk maken de behandeling indien nodig meer dan eens met succes toe te passen.

CRISPR besturen

Om CRISPR-technologie te kunnen controleren en gebruiken zonder permanente DNA-veranderingen te veroorzaken, het Defense Advanced Research Projects Agency creëerde het Safe Genes-programma.

Een van de inspanningen die wordt gefinancierd onder Safe Genes is een bedrag van $ 2,5 miljoen, tweejarig project geleid door Jennifer Doudna's laboratorium aan de Universiteit van Californië, Berkeley, in samenwerking met Sandia, en de Universiteit van Californië, San Francisco. Doudna is een pionier in de ontwikkeling van CRISPR. Als het vroege onderzoek vruchtbaar is, DARPA zou deze inspanning met nog eens twee jaar kunnen verlengen, waardoor het totaal op vier jaar en $ 5 miljoen komt.

Virussen zijn bedreven in het veranderen van hun DNA en het genereren van nieuwe anti-CRISPR-eiwitten om het bacteriële immuunsysteem te blokkeren. Dit is de andere kant van de 'wapenwedloop' tussen bacteriën en virussen. Deze eiwitten kunnen fungeren als antidota, waardoor geneditors indien nodig kunnen worden uitgeschakeld.

Het Safe Genes-team maakt gebruik van deze eiwitten om remmers te ontwikkelen die off-target effecten van CRISPR kunnen beheersen. Schoeniger zei dat als een dosis van een gen-editor moet worden toegediend, het kan worden gevolgd door een dosis van de remmer om het uit te schakelen, het minimaliseren van de hoeveelheid tijd waarin off-target effecten kunnen plaatsvinden.

De lading opnieuw maken

Dit Safe Genes-project bouwt voort op het werk dat bij Sandia gaande is en dat ook gericht is op het bestrijden van infectieziekten door middel van genbewerking.

Normaal gesproken, het CRISPR-systeem richt zich op DNA, maar Sandia heeft met Doudna's team samengewerkt om een ​​CRISPR-systeem te creëren dat zich in plaats daarvan op RNA richt. Het rechtstreeks aanvallen van virus-RNA is waarschijnlijk effectief tegen de meeste pathogenen die zorgen over de bioveiligheid. zei Negrete.

Er bestaan ​​al CRISPR-systemen die gericht zijn op RNA, maar deze systemen resulteren in algemene afbraak van RNA. Dit nieuwe RNA-targetingsysteem kan specifiek menselijk of dierlijk RNA beïnvloeden, inclusief die waarvan bekend is dat ze coderen voor eiwitten die helpen bij virale infectie.

"Sommige eiwitten zijn bekende toegangspoorten voor indringers, Negrete legde uit. "Als je deze eiwitten uitschakelt via hun coderende RNA's, de ziekteverwekkers kunnen niet in je cellen komen en je hebt geen blijvende veranderingen in je genoom aangebracht."

Veilige CRISPR-toepassingen ontwikkelen

Voor het Safe Genes-project, Sandia zal de RNA-targeting CRISPR-technologie testen tegen een verscheidenheid aan virussen. Het Sandia-team zal de CRISPR's leveren aan zoogdiercellen die zijn geïnfecteerd met een verscheidenheid aan RNA-virussen, inclusief Ebola en Rift Valley Fever Virus, die symptomen veroorzaken zoals hemorragische koorts. Daarna meten ze het niveau van het virus dat na de behandeling in de cellen achterblijft.

"Ideaal, we zouden graag zien dat het virusniveau tot nul wordt teruggebracht. Als dat niet zo is, de CRISPR-technologie zou moeten worden aangepast, ' zei Negrete.

In aanvulling, het UCSF-team ontwikkelt CRISPR-afgeleide technologieën om genen aan en uit te zetten zonder DNA te bewerken. Voor deze toepassing, het team maakt gebruik van CRISPR voor gerichte DNA-methylatie. DNA-methylatie is een niet-destructief mechanisme van genexpressieregulatie dat van nature voorkomt tijdens de levenscyclus van zoogdieren.

Negrete gelooft dat dit werk, indien succesvol, zou een kwantumsprong voorwaarts betekenen voor de virologie, omdat de nieuwe CRISPR-technologieën ziekten op meerdere manieren zouden aanvallen. Momenteel, vaccins richten zich op afzonderlijke virusstammen. Sandia's Safe Genes-project werkt aan oplossingen die zich richten op alle stammen van een virus, evenals het vinden van manieren om geïnfecteerde gastheer- en menselijke cellen te repareren.

"Het is omslachtig om voor elke bug nieuwe behandelingen te bedenken, and not feasible for quickly responding to emerging threats. One treatment for each and every strain that appears, as well as all the related viruses – it's a much better strategy, " Negrete said. "It's like the leap from eliminating one letter with a pencil eraser to hitting control-A and deleting an entire paragraph."