לעריכת Prime, צורה רב-תכליתית של עריכת גנים שיכולה לתקן את רוב המוטציות הגנטיות הגורמות למחלות, יש כעת כלי חדש להעביר את המכונות שלה לתאים בבעלי חיים חיים.
צוות חוקרים ב-Broad Institute של MIT והרווארד הנדס חלקיקים דמויי וירוסים כדי לספק עורכים ראשוניים לתאים בעכברים ביעילות גבוהה מספיק כדי להציל הפרעה גנטית. בעבודה החדשה שפורסמה היום ב טבע ביוטכנולוגיה, הצוות התאים חלקיקים דמויי וירוס מהונדסים (eVLPs) שהם תכננו בעבר לשאת עורכי בסיס -; סוג אחר של עורך גנים מדויק שמבצע שינויים באות אחת ב-DNA.
כעת החוקרים מתארים כיצד הם הנדסו מחדש הן eVLPs והן חלקים ממכונות החלבון וה-RNA העריכה העיקריות כדי להגביר את יעילות העריכה עד פי 170 בתאים אנושיים בהשוואה ל-eVLPs הקודמים שמספקים עורכי בסיס. הצוות השתמש במערכת החדשה שלהם כדי לתקן מוטציות הגורמות למחלות בעיניים של שני דגמי עכברים של עיוורון גנטי, תוך שיקום חלקי של הראייה שלהם. הם גם העבירו עורכים ראשיים למוח העכבר, ולא זיהו שום עריכה מחוץ למטרה.
"מחקר זה מייצג את הפעם הראשונה שלדעתנו ששימוש במשלוח של קומפלקסים של חלבון-RNA שימש להשגת עריכה ראשונית טיפולית בבעלי חיים", אמר דיוויד ליו, מחבר בכיר של המחקר וריצ'רד מרקין פרופסור ומנהל מכון מרקין של טכנולוגיות טרנספורמטיביות בתחום הבריאות בראד. ליו הוא גם חוקר במכון הרפואי הווארד יוז ופרופסור באוניברסיטת הרווארד.
דילמת מסירה
גישות לעריכת גנים מבטיחות לטפל במגוון מחלות על ידי תיקון מדויק של מוטציות גנטיות הגורמות למחלות. עריכת פריים, שתוארה ב-2019 על ידי הקבוצה של ליו, יכולה לבצע סוגים ארוכים ומגוונים יותר של שינויים ב-DNA מאשר סוגי עריכה אחרים. עם זאת, אספקת מכונות עריכת הגנים המורכבות לתאים בבעלי חיים חיים הייתה מאתגרת.
מערכת העריכה הראשית כוללת שלושה מרכיבים: חלבון Cas9 שיכול לחטב DNA; RNA מדריך עריכה ראשי מהונדס (pegRNA) המציין את מיקום העריכה ומכיל גם את הרצף הערוך החדש להתקנה במיקום זה; ותעתיק הפוך המשתמש ב-pegRNA כתבנית לביצוע שינויים ספציפיים ב-DNA.
חוקרים השתמשו במגוון שיטות כדי להעביר את המכונות המולקולריות הללו לתאים, כולל ננו-חלקיקים של שומנים ונגיפים. חלקיקים דמויי וירוסים (VLPs), המורכבים מקליפה של חלבונים ויראליים הנושאים מטען אך חסרים כל חומר גנטי ויראלי, היו גם הם בעלי עניין מיוחד. אבל VLPs הניבו באופן מסורתי תוצאות משלוח צנועות בבעלי חיים, וצריכים להיות מתוכננים במיוחד עבור כל סוג אחר של מטען כדי להעביר ביעילות לתאים.
"בתחילה קיווינו שנוכל פשוט לקחת את ה-eVLPs שפיתחנו בקפידה וביטלנו לעריכה בסיסית ולהחיל אותם על עורכים ראשיים", אמר מאירוי אן, סטודנט לתואר שני במעבדת Liu ומחבר ראשון של המאמר החדש. "אבל כשניסינו את זה, כמעט ולא ראינו עריכת פריים בכלל."
פריצות דרך צוואר בקבוק
בעבודה החדשה, החוקרים הנדסו מחדש בהרחבה הן את חלבוני ה-eVLP והן את מנגנון העריכה הראשי עצמו, כך שגם מערכות המסירה והעריכה עבדו בצורה יעילה יותר. לדוגמה, הם שיפרו את האופן שבו מטען העריכה הראשי נארז ב-eVLPs, כיצד הוא הופרד מהרכב המסירה, וכיצד הוא נמסר לתוך גרעיני תאי המטרה.
"המטען הראשי של העורך חייב להיות ארוז ביעילות לתוך eVLPs כאשר החלקיקים נוצרים, אך חייב להיות משוחרר ביעילות מהחלקיקים לאחר כניסת תאי המטרה", אמרה Aditya Raguram, סטודנטית לשעבר במעבדה ליו ומחברת במחקר. "כל השלבים הללו צריכים להיות מתוזמרים בקפידה על מנת להשיג עריכת פריים יעילה בתיווך eVLP."
בעוד שכל שיפור אינדיבידואלי הוביל לקפיצות קטנות ביעילותם של עורכי הפריים, לשינויים יחד הייתה השפעה הרבה יותר גדולה.
כששילבנו הכל יחד, ראינו שיפורים של פי 100 בערך בהשוואה ל-eVLPs שאיתם התחלנו. סוג כזה של שיפור ביעילות אמור להספיק כדי לתת לנו רמות רלוונטיות מבחינה טיפולית של עריכה ראשונית, אבל לא ידענו בוודאות עד שבדקנו את זה בבעלי חיים."
דיוויד ליו, מחבר בכיר של המחקר
בדיקות in vivo
ליו ועמיתיו, בשיתוף עם קשישטוף פלצ'בסקי מאוניברסיטת קליפורניה, אירווין, בדקו לראשונה את המערכת בעכברים כדי לתקן שתי מוטציות גנטיות שונות בעיניים. מוטציה אחת, בגן Mfrp, גורם למחלה הנקראת רטיניטיס פיגמנטוזה שמובילה לניוון מתקדם של הרשתית. השני, בגן Rpe65קשור לעיוורון הנראה במצב המכונה Leber congenital amaurosis (LCA) בבני אדם.
בשני המקרים, ה-eVLPs תיקנו את המוטציה בעד 20 אחוז מתאי הרשתית של בעלי החיים, והחזירו חלקית את הראייה שלהם.
קבוצת המחקר גם הראתה שה-eVLPs הטעונים במכונות עריכה ראשיות יכולים לערוך ביעילות גנים במוחם של עכברים חיים. כמעט מחצית מכל התאים בקליפת המוח שקיבלו את מכונות העריכה הראו עריכה גנטית.
"תחום עריכת הגנים מסכים במידה רבה שבמעבר לעתיד, מכונות עריכת גנים צריכות בסופו של דבר להיות מסופקות כחלבונים כדי למזער תופעות לוואי אפשריות, וכעת הראינו דרך יעילה לעשות זאת", אמר ליו. "אנו מתכננים להמשיך לעבוד באופן פעיל על שיפור eVLPs והתאמת הטכנולוגיה למיקוד סוגי רקמות אחרים בגוף."
