Prime assembly infogar DNA utan kromosombrott

Genomredigering har länge varit bättre på små korrigeringar än på att föra in långa DNA-sekvenser. Tekniker som prime editing kan skriva om enskilda genetiska bokstäver med hög precision, men får problem när förändringen blir längre. Många metoder för att integrera större DNA-fragment bygger samtidigt på att båda strängarna i en kromosom kapas medvetet. Det är en kraftfull men trubbig metod som kan leda till oönskade deletioner, omarrangemang eller felaktigt sammanfogade DNA-ändar. En Nature-artikel publicerad den 16 september beskriver en metod kallad prime assembly som fyller denna lucka: den använder maskineriet bakom prime editing för att integrera DNA som tillförs utifrån och skapa större kromosomomlagringar utan att medvetet framkalla ett nukleasdrivet dubbelsträngsbrott.

En etablerad redigeringsteknik får nya uppgifter

Vanlig prime editing fungerar ungefär som en biologisk sök-och-ersätt-funktion. Ett modifierat Cas9-protein gör ett snitt i den ena DNA-strängen på en programmerad plats, och ett enzym som kallas omvänt transkriptas kopierar en kort mall från ett guide-RNA direkt in i kromosomen. Metoden lämpar sig väl för korrigeringar av enstaka bokstäver och små insättningar, men får problem med större DNA-fragment: guide-RNA:t måste innehålla hela mallen, och längre förlängningar blir instabila (originalartikeln om prime editing).

Prime assembly delar upp uppgiften på ett annat sätt. Redigeraren gör fortfarande ett snitt i den ena strängen och skriver in korta sekvenser i kromosomen, men sekvenserna fungerar nu som fästpunkter för ett separat tillfört DNA-fragment. Guide-RNA:t styr var integreringen sker; donator-DNA:t innehåller det som ska föras in. Eftersom Cas9 bara gör ett snitt i den ena strängen, i stället för att kapa båda, undviker metoden de risker som följer med att bryta av en kromosom helt (Nature).

Skillnaden är viktig av ytterligare ett skäl. Många metoder för stora insättningar är beroende av homologistyrd reparation, en cellulär process som i huvudsak bara fungerar i celler som aktivt delar sig. Forskarna visade att prime assembly fungerar i celler som inte delar sig och i primära mänskliga celler, alltså celler som hämtas direkt från patienter i stället för att odlas vidare på obestämd tid i laboratoriet. Många av de celltyper som kliniker helst vill kunna redigera, bland annat vissa immunceller och vävnader som sällan delar sig, har varit svåra mål för integrationsbaserad genomredigering (Nature).

Vad metoden visade att den klarar

Artikeln beskriver tre typer av genomförändringar: omkodning av exoner, införande av transgener och kromosomomlagringar i megabasskala. Ett exon är en del av en gen som kodar för en del av ett protein. Många genetiska sjukdomar beror på mutationer som är spridda över samma exon. I stället för att utforma en särskild korrigering för varje variant skulle en ersättning av hela exonet med en frisk referenskopia kunna göra det möjligt för en enda molekylär konstruktion att hantera flera mutationer inom samma sekvens (Nature). Det demonstrerades som en möjlighet i celler, inte som en behandling av någon sjukdom.

Det finns redan flera andra strategier för integrering utan dubbelsträngsbrott. TwinPE samordnar två guide-RNA:n på motsatta strängar (Nature Biotechnology). PASTE installerar en rekombinationsplats och rekryterar ett integras (Nature Biotechnology). Bridge-rekombinaser använder en helt annan RNA-styrd kemi (Nature). En annan forskargrupp publicerade i augusti en metod som också kallas ”prime assembly” i Nature Biotechnology, men den bygger på en närliggande och samtidigt distinkt strategi (Nature Biotechnology). Ingen av metoderna har jämförts under identiska förhållanden. Därför är det för tidigt att rangordna dem efter effektivitet eller produktkvalitet.

Det som skiljer septemberresultatet i Nature från de andra är den kombination som rapporteras: programmerbar styrning av målplatsen, externt tillförda DNA-fragment från medelstora till stora, funktion i celler som inte delar sig och demonstrationer i primära mänskliga celler.

Vad det betyder – och vad det inte betyder

Det här är ett laboratorieresultat som har granskats av andra forskare. Ingen patient har behandlats och det finns inga säkerhetsdata från människor. Resultatens precision vid redigeringsplatsen, integration utanför målplatsen och långsiktiga risker har inte kvantifierats i det tillgängliga underlaget. Att undvika ett dubbelsträngsbrott minskar en känd risk, men gör inte processen felfri.

Prime assembly har integrerat DNA som tillförts utifrån och skapat större kromosomomlagringar i celler som inte delar sig och i primära mänskliga celler, utan ett avsiktligt nukleasdrivet dubbelsträngsbrott. Prime editing började som ett verktyg för små korrigeringar. Resultatet visar att tekniken kan hantera ingrepp som tidigare krävde trubbigare snitt. Att översätta det till medicinsk användning är ett separat och längre arbete, men det som har demonstrerats är en ny och faktisk möjlighet.