Prime assembly fügt DNA ohne Chromosomenbruch ein

Beim Genome Editing lassen sich einzelne genetische Buchstaben deutlich leichter korrigieren als längere DNA-Abschnitte einfügen. Verfahren wie Prime Editing können einzelne Basen mit hoher Präzision umschreiben, stoßen aber an Grenzen, sobald die gewünschte Veränderung länger wird. Viele Methoden für größere DNA-Frachten durchtrennen dagegen gezielt beide Stränge eines Chromosoms – ein wirksamer, aber grober Eingriff, der unerwünschte Deletionen, Umlagerungen oder fehlerhaft verbundene DNA-Enden verursachen kann. Eine am 16. September in Nature veröffentlichte Arbeit beschreibt nun ein Verfahren namens Prime Assembly, das diese Lücke schließen soll: Es nutzt die molekulare Maschinerie des Prime Editing, um von außen zugeführte DNA einzubauen und größere chromosomale Umlagerungen herbeizuführen, ohne gezielt einen durch eine Nuklease ausgelösten Doppelstrangbruch zu erzeugen.

Einen alten Editor für neue Aufgaben nutzen

Das herkömmliche Prime Editing funktioniert nach dem Prinzip einer biologischen Such-und-Ersetzen-Funktion. Ein modifiziertes Cas9-Protein schneidet an einer programmierten Stelle einen DNA-Strang an, anschließend kopiert ein Enzym namens Reverse Transkriptase eine kurze Vorlage aus einer Guide-RNA direkt in das Chromosom. Für die Korrektur einzelner Buchstaben und kleine Einfügungen ist dieser Ansatz elegant. Bei größeren DNA-Frachten versagt er jedoch zunehmend, weil die Guide-RNA die gesamte Vorlage enthalten muss und längere Erweiterungen instabil werden (ursprüngliche Arbeit zum Prime Editing).

Prime Assembly verteilt die Aufgabe anders. Der Editor schneidet weiterhin einen DNA-Strang an und schreibt kurze Sequenzen in das Chromosom; diese dienen nun jedoch als Verbindungsstellen für ein separat zugeführtes, größeres DNA-Stück. Die Guide-RNA bestimmt den Ort der Integration, während die Spender-DNA den einzufügenden Inhalt trägt. Weil Cas9 nur einen Strang anschneidet, statt beide Stränge vollständig zu durchtrennen, vermeidet das Verfahren die Risiken eines komplett aufgetrennten Chromosoms (Nature).

Der Unterschied ist auch aus einem anderen Grund relevant. Viele Verfahren für größere DNA-Einfügungen sind auf die homologe Rekombinationsreparatur angewiesen, einen zellulären Prozess, der weitgehend auf sich aktiv teilende Zellen beschränkt ist. Das Team zeigte, dass Prime Assembly auch in nicht teilenden Zellen und in primären menschlichen Zellen funktioniert, also in Zellen, die Forschende direkt von Patienten gewinnen, statt sie auf unbestimmte Zeit im Labor zu vermehren. Gerade bestimmte Immunzellen und Gewebe, die sich kaum teilen und die medizinisch besonders interessante Ziele sind, waren für Integrationsverfahren bislang schwer zugänglich (Nature).

Was das Verfahren leisten kann

Die Arbeit beschreibt drei Anwendungsbereiche der Genomveränderung: die Neucodierung von Exons, das Einfügen von Transgenen und chromosomale Umlagerungen im Maßstab von Megabasen. Ein Exon ist ein Abschnitt eines Gens, der einen Teil eines Proteins codiert. Viele Erbkrankheiten gehen auf Mutationen zurück, die über dasselbe Exon verteilt sind. Würde man das gesamte Exon durch eine gesunde Referenzkopie ersetzen, könnte ein einziges molekulares Design mehrere Mutationen in diesem Abschnitt korrigieren (Nature). Die Forschenden zeigten diese Möglichkeit in Zellen; eine Behandlung von Krankheiten war damit nicht verbunden.

Mehrere andere Verfahren für die Integration ohne Doppelstrangbruch gibt es bereits. TwinPE koordiniert zwei Guide-RNAs auf gegenüberliegenden DNA-Strängen (Nature Biotechnology). PASTE baut eine Rekombinationsstelle ein und rekrutiert eine Integrase (Nature Biotechnology). Bridge-Rekombinasen nutzen eine vollständig andere, RNA-gesteuerte Chemie (Nature). Ein anderes Team veröffentlichte im August in Nature Biotechnology ebenfalls ein Verfahren namens „Prime Assembly“, das auf einem verwandten, aber eigenständigen Ansatz beruht (Nature Biotechnology). Unter vergleichbaren Bedingungen wurden diese Verfahren bislang nicht miteinander verglichen; eine Rangfolge nach Effizienz oder Produktqualität wäre daher verfrüht.

Das Besondere an dem im September in Nature beschriebenen Ergebnis ist die Kombination mehrerer Eigenschaften: programmierbare Zielsteuerung, die Integration mittelgroßer bis großer externer DNA-Frachten, der Einsatz in nicht teilenden Zellen und der Nachweis in primären menschlichen Zellen.

Was das Ergebnis bedeutet – und was nicht

Es handelt sich um ein begutachtetes Laborergebnis. Kein Patient wurde behandelt, und Daten zur Sicherheit beim Menschen liegen nicht vor. Die Präzision des Produkts an der Editierungsstelle, Off-Target-Integrationen und langfristige Risiken sind in den zugänglichen Angaben nicht quantifiziert. Das Vermeiden eines Doppelstrangbruchs verringert ein bekanntes Risiko, macht den Vorgang aber nicht fehlerfrei.

Prime Assembly hat in nicht teilenden und primären menschlichen Zellen extern zugeführte DNA integriert und größere chromosomale Umlagerungen erzeugt, ohne gezielt einen durch eine Nuklease ausgelösten Doppelstrangbruch herbeizuführen. Prime Editing begann als Werkzeug für kleine Korrekturen. Die neue Arbeit zeigt, dass sich damit auch Konstruktionsaufgaben bewältigen lassen, für die bislang grobere Schnitte erforderlich waren. Die Übertragung dieser Fähigkeit in die Medizin ist ein eigenes und deutlich längeres Vorhaben; die gezeigte technische Leistung ist dennoch real und neu.