Prime-assemblage voegt DNA toe zonder chromosomen te breken

Genoomediting is al lange tijd beter in kleine correcties dan in het invoegen van lange nieuwe DNA-segmenten. Technologieën als prime editing kunnen afzonderlijke genetische letters met chirurgische precisie herschrijven, maar lopen tegen hun grenzen aan zodra de gewenste verandering langer wordt. Veel methoden om grotere DNA-ladingen in te bouwen knippen intussen bewust beide strengen van een chromosoom door. Dat is krachtig, maar grof: het kan ongewenste deleties, herschikkingen of verkeerd gekoppelde DNA-uiteinden veroorzaken. Een artikel in Nature dat op 16 september verscheen beschrijft een methode die prime assembly heet en dit gat moet dichten. De methode gebruikt de machinerie van prime editing om extern aangeleverd DNA in te bouwen en grote chromosomale herschikkingen te veroorzaken, zonder bewust een door een nuclease veroorzaakte dubbelstrengsbreuk te maken.

Een bestaande editor krijgt nieuwe mogelijkheden

Standaard prime editing werkt als een biologische zoek-en-vervangfunctie. Een aangepast Cas9-eiwit maakt op een geprogrammeerde plek een inkeping in één DNA-streng. Vervolgens kopieert een enzym, reverse-transcriptase, een korte sjabloon uit een gids-RNA rechtstreeks naar het chromosoom. Dat werkt elegant voor correcties van afzonderlijke letters en kleine inserties, maar grotere DNA-ladingen leveren problemen op. Het gids-RNA moet dan de volledige sjabloon bevatten en langere uitbreidingen worden instabiel (het oorspronkelijke artikel over prime editing).

Prime assembly verdeelt het werk anders. De editor maakt nog steeds een inkeping in één streng en schrijft korte sequenties in het chromosoom. Die sequenties dienen nu als verbindingspunten voor een afzonderlijk aangeleverd, groter stuk donordna. Het gids-RNA bepaalt waar de integratie plaatsvindt; het donor-DNA bevat wat er wordt ingevoegd. Omdat Cas9 maar één streng inkepingen geeft en het DNA niet volledig doorknipt, vermijdt de methode de risico’s van het daadwerkelijk doorsnijden van een chromosoom (Nature).

Dat onderscheid is om nog een reden relevant. Veel methoden voor grote inserties zijn afhankelijk van homologiegestuurd herstel, een cellulair proces dat grotendeels beperkt is tot cellen die actief delen. Het team liet zien dat prime assembly ook werkt in niet-delende cellen en in primaire menselijke cellen. Dat zijn cellen die onderzoekers rechtstreeks uit patiënten halen, in plaats van ze onbeperkt in het laboratorium te kweken. Juist bepaalde immuuncellen en weefsels die zelden delen, en die artsen graag zouden bewerken, waren tot nu toe lastige doelwitten voor genoomediting op basis van integratie (Nature).

Wat de onderzoekers ermee lieten zien

Het artikel beschrijft drie soorten genoommanipulatie: hercodering van een exon, insertie van een transgen en chromosomale herschikkingen op megabaseschaal. Bij hercodering van een exon is enige uitleg nuttig. Een exon is een deel van een gen dat codeert voor een deel van een eiwit. Veel erfelijke ziekten ontstaan door mutaties die verspreid liggen over hetzelfde exon. In plaats van voor elke variant een afzonderlijke correctie te ontwerpen, kan het vervangen van het hele exon door een gezonde referentiekopie één moleculair ontwerp geschikt maken voor meerdere mutaties binnen dat segment (Nature). De onderzoekers toonden dit aan als technische mogelijkheid in cellen, niet als behandeling voor een ziekte.

Er bestaan overigens al verschillende andere strategieën voor DNA-integratie zonder dubbelstrengsbreuk. TwinPE coördineert twee gids-RNA’s op tegenoverliggende DNA-strengen (Nature Biotechnology). PASTE installeert een recombinatieplaats en werft daarvoor een integrase (Nature Biotechnology). Bridge recombinases gebruiken een geheel andere, door RNA gestuurde chemie (Nature). Een ander onderzoeksteam publiceerde in augustus in Nature Biotechnology een methode die eveneens ‘prime assembly’ heet, maar een verwante en toch andere strategie gebruikt (Nature Biotechnology). Geen van deze methoden is onder identieke omstandigheden met de andere vergeleken. Een ranglijst op basis van efficiëntie of productkwaliteit zou daarom voorbarig zijn.

De Nature-resultaten van september onderscheiden zich volgens de onderzoekers door de combinatie van programmeerbare doelbepaling, middelgrote tot grote externe DNA-ladingen, werking in niet-delende cellen en demonstraties in primaire menselijke cellen.

Wat dit wel en niet betekent

Dit is een peer-reviewed laboratoriumresultaat. Er is geen patiënt behandeld en er zijn geen gegevens over veiligheid bij mensen. De beschikbare publicatiegegevens zeggen nog niets over de precisie van het editproduct op de beoogde plek, integratie buiten het doelgebied of risico’s op lange termijn. Het vermijden van een dubbelstrengsbreuk verkleint één bekend risico, maar maakt het proces niet foutloos.

Prime assembly heeft extern aangeleverd DNA ingebouwd en grote chromosomale herschikkingen veroorzaakt in niet-delende en primaire menselijke cellen, zonder een ontworpen, door een nuclease veroorzaakte dubbelstrengsbreuk. Prime editing begon als gereedschap voor kleine correcties. Dit onderzoek laat zien dat de technologie ook constructiewerk aankan waarvoor eerder grovere DNA-knippen nodig waren. De vertaling naar geneeskundige toepassingen is een afzonderlijk en langer traject, maar de aangetoonde technische mogelijkheid is wel degelijk nieuw.