Prime assembly indsætter DNA uden kromosombrud

Genredigering har længe været bedre til små rettelser end til at indsætte lange stykker nyt DNA. Metoder som prime editing kan omskrive enkelte genetiske bogstaver med kirurgisk præcision, men får problemer, når ændringen bliver større. Mange metoder til at integrere større DNA-stykker kræver samtidig, at begge DNA-strenge i et kromosom klippes over. Det er effektivt, men upræcist og kan føre til uønskede deletioner, omlejringer eller fejlsammensatte DNA-ender. Et studie i Nature offentliggjort 16. september beskriver en metode kaldet prime assembly, som lukker noget af dette hul: Den bruger prime-editing-maskineriet til at integrere tilført DNA og skabe store kromosomale omlejringer uden bevidst at fremkalde et dobbelstrengsbrud med et nukleaseenzym.

En gammel geneditor får nye opgaver

Standardudgaven af prime editing fungerer som biologisk søg-og-erstat. Et modificeret Cas9-protein laver et snit i den ene DNA-streng på et programmeret sted, hvorefter et enzym kaldet revers transkriptase kopierer en kort skabelon fra et guide-RNA direkte ind i kromosomet. Metoden er elegant til rettelser af enkelte genetiske bogstaver og små indsættelser, men den får problemer med større DNA-stykker, fordi hele skabelonen skal kodes i guide-RNA’et, og lange forlængelser bliver ustabile (den oprindelige artikel om prime editing).

Prime assembly fordeler opgaven på en anden måde. Geneditoren laver fortsat et snit i den ene DNA-streng og skriver korte sekvenser ind i kromosomet, men sekvenserne fungerer nu som forbindelsespunkter til et separat og større stykke donor-DNA. Guide-RNA’et bestemmer, hvor indsættelsen skal ske, mens donoren indeholder det DNA, der skal indsættes. Fordi Cas9 kun laver et snit i den ene streng og ikke klipper kromosomet helt over, undgår metoden nogle af de risici, der følger med et fuldt kromosombrud (Nature).

Forskellen har også betydning af en anden grund. Mange metoder til store DNA-indsættelser er afhængige af homologirettet reparation, en cellulær proces, der hovedsageligt foregår i celler, som deler sig aktivt. Forskerholdet viste, at prime assembly fungerer i ikke-delende celler og i primære humane celler – altså celler, som forskere tager direkte fra patienter i stedet for at dyrke dem ubegrænset i laboratoriet. Flere af de celletyper, som klinikere gerne vil redigere, blandt andet bestemte immunceller og væv, der sjældent deler sig, har været vanskelige mål for integrationsbaseret genredigering (Nature).

Det viste forskerne

Artiklen beskriver tre former for genommanipulation: omskrivning af exoner, indsættelse af transgener og genomiske omlejringer i megabase-størrelse. Et exon er et afsnit af et gen, som indeholder koden til en del af et protein. Mange genetiske sygdomme skyldes mutationer, der ligger spredt i det samme exon. I stedet for at udvikle en særskilt rettelse til hver variant kan man udskifte hele exonet med en sund referencekopi. På den måde kan ét molekylært design i princippet ramme flere mutationer i det samme område (Nature). Forskerne viste denne mulighed i celler, men ikke som behandling af en sygdom.

Der findes allerede flere andre metoder til at indsætte DNA uden dobbelstrengsbrud. TwinPE koordinerer to guide-RNA’er på hver sin DNA-streng (Nature Biotechnology). PASTE indsætter et rekombinationssted og rekrutterer et integraseenzym (Nature Biotechnology). Bridge-rekombinaser bruger en helt anden, RNA-styret kemi (Nature). Et andet forskerhold offentliggjorde i august en metode, der også kaldes »prime assembly«, i Nature Biotechnology. Den bygger på en beslægtet, men særskilt strategi (Nature Biotechnology). Metoderne er ikke blevet sammenlignet under ens betingelser, så det er for tidligt at rangordne dem efter effektivitet eller kvaliteten af de produkter, de skaber.

Det, der kendetegner septemberresultatet i Nature, er kombinationen af programmerbar målretning, mellemstore og store DNA-stykker udefra, funktion i ikke-delende celler og demonstrationer i primære humane celler.

Hvad det betyder – og ikke betyder

Resultatet stammer fra et fagfællebedømt laboratorieforsøg. Ingen patienter er blevet behandlet, og der findes ingen sikkerhedsdata fra mennesker. Den præcise produktdannelse på redigeringsstedet, indsættelser uden for målstedet og langsigtede risici er endnu ikke kvantificeret i det tilgængelige materiale. At undgå et dobbelstrengsbrud mindsker én kendt risiko, men gør ikke processen fejlfri.

Prime assembly har integreret tilført DNA og skabt store kromosomale omlejringer i ikke-delende og primære humane celler uden et planlagt dobbelstrengsbrud fremkaldt af et nukleaseenzym. Prime editing begyndte som et værktøj til små rettelser. Det nye arbejde viser, at teknologien også kan klare konstruktionsopgaver, som tidligere krævede grovere snit. At omsætte den mulighed til medicin bliver et længere særskilt projekt, men den demonstrerede kapacitet er reel og ny.