Een nieuwe genbewerkingstechnologie die efficiënter en nauwkeuriger is dan CRISPR

Onderzoekers hebben een nieuwe techniek voor het bewerken van genen ontwikkeld om het hele genoom opnieuw vorm te geven. Het heet ‘bridge editing’ en maakt het onder meer mogelijk om veel ingrijpender veranderingen aan te brengen dan momenteel mogelijk zijn met behulp van CRISPR, met name door nieuwe DNA-sequenties rechtstreeks in het genoom in te voegen. Dit geeft het een niveau van nauwkeurigheid dat nog nooit eerder is bereikt met de huidige bewerkingstechnieken.

RNA-geleide systemen hebben een revolutie teweeggebracht in ons begrip van het genoom. Eén zo’n systeem is de genbewerkingstechnologie CRISPR, die fungeert als een moleculaire ‘schaar’ die wordt aangestuurd door gids-RNA’s (gRNA’s). Deze technologie maakt het onder meer mogelijk om specifieke genetische sequenties te segmenteren en te wijzigen door gRNA aan te passen.

Het hele proces wordt gedaan door het CRISPR Cas-eiwit. De term Cas verwijst naar een kort CRISPR-RNA (crRNA)-bindend endonuclease dat zich richt op relevante DNA- of RNA-sequenties. De endonuclease Cas9 en Cas12 splitsen DNA, terwijl Cas13 RNA splitst. Wanneer het moleculaire hulpmiddel de te targeten sequentie doorsnijdt, stimuleert de cel systemisch het reparatieproces. Mitose wordt herhaaldelijk uitgevoerd totdat de cel normaal transformeert door foutherstel te veroorzaken.

Hoewel CRISPR het mogelijk maakt om mutaties op specifieke locaties te induceren, is de nauwkeurigheid ervan relatief beperkt. Het knipt en vernietigt doelreeksen om ze uit te schakelen, waardoor het meer een destructieve techniek dan een bewerkingstechniek is.

Om dit probleem aan te pakken zijn verbeterde versies van CRISPR voorgesteld, waardoor het bijvoorbeeld mogelijk is om doelsequenties direct te modificeren in plaats van te vertrouwen op mutatieherstelcycli. Sommigen van hen maken het mogelijk dat nucleotidebasen worden gemodificeerd zonder het splitsingsproces te doorlopen, terwijl andere het mogelijk maken dat gRNA’s worden omgezet in DNA en in de doelsequentie worden ingevoegd. Ook hier blijft de nauwkeurigheid echter beperkt.

Een team van het Ark Institute, UC Berkeley, Stanford en Tokyo stelt een nieuwe programmeerbare bewerkingstechnologie voor waarmee nieuwe DNA-sequenties rechtstreeks in het genoom kunnen worden ingevoegd met behulp van ‘RNA-bruggen’ – een nieuwe klasse gids-RNA. Dit zou de nauwkeurigheid van het bewerken van genen met behulp van een enkele invoersequentie aanzienlijk verbeteren.

” Het RNA-brugsysteem is een fundamenteel nieuw mechanisme voor genoomontwerp », legt uit in A
Blogpost van het Ark Instituut De hoofdonderzoeker van het onderzoek, Patrick Hsu, is ook hoogleraar bio-engineering aan de Universiteit van Californië, Berkeley. ” Brugrecombinatie kan genetisch materiaal wereldwijd wijzigen door middel van inserties, excisies, omkeringen van specifieke sequenties en meer, waardoor live genoombewerking efficiënter mogelijk wordt gemaakt dan met CRISPR. “.

“Bridge RNA”: een universele adapter waarmee elk deel van het genoom kan worden getarget

Het nieuwe moleculaire bewerkingssysteem, dat werd ontdekt in bacteriën en archaea, is gebaseerd op een sequentie genaamd insertie 110 (IS110). Het maakt deel uit van een grote groep transponeerbare sequenties (of ‘springende genen’) die het genoom doorkruisen, zich daarin verplaatsen en zich vervolgens hechten (of invoegen) tussen twee specifieke strengen.

Deze korte sequenties zijn aanwezig in de cellen van alle levende organismen en zijn uitgegroeid tot echte hulpmiddelen voor het manipuleren van DNA. IS110 bestaat met name uit een gen dat codeert voor een recombinase-enzym, dat verantwoordelijk is voor genetische recombinatie. Het is een proces dat de fysieke verbinding tussen twee stukjes DNA wijzigt.

Experts in een nieuwe studie – gepubliceerd in het tijdschrift
natuur -Cryogene elektronenmicroscopie werd gebruikt om de moleculaire structuur van het herassemblagecomplex van de RNA-brug te bestuderen. Ze vorderden in fasen van het IS110-splitsingsproces naar de recombinatiefase.

Ze ontdekten dat wanneer IS110 uit het genoom wordt verwijderd, de niet-coderende uiteinden van de DNA-streng samenkomen om twee RNA-lussen te produceren. Eén lus bindt aan IS110, terwijl de andere zich bindt aan de doelstreng waar de nieuwe sequentie zal worden ingevoegd, waardoor de RNA-brug het eerste voorbeeld is van een bispecifiek gRNA. Het recombinase katalyseert vervolgens het insertieproces.

Aan de andere kant is elke RNA-brug programmeerbaar, waardoor het mogelijk wordt om elke doel- en donor-DNA-sequentie te binden. Met andere woorden: met het hulpmiddel kan elke DNA-sequentie op elke beoogde genomische locatie worden ingevoegd. ” Programmeerbare RNA-bruggen onderscheiden IS110 van andere bekende recombinatieprocessen, die geen RNA-component bevatten en niet kunnen worden geprogrammeerd. “, legt co-auteur Nicholas Berry uit, ook van het Ark Institute en de Universiteit van Californië. Wat de analogie betreft: “het is alsof de ARN-bridge een universele voedingsadapter is die de IS110 compatibel maakt met elke poort”, zegt hij. .

Nauwkeurigheid meer dan 94%

Dit mechanisme geeft het nieuwe systeem een ​​nauwkeurigheidsniveau dat niet kan worden bereikt met CRISPR. Bij het testen op bacteriën Escherichia coliHet team toonde aan dat de efficiëntie van het inbrengen van een specifiek gen meer dan 60% was, terwijl het vermogen om op de juiste locatie in te brengen meer dan 94% was.

Bovendien maakt deze techniek het mogelijk dat twee DNA-strengen opnieuw worden samengevoegd zonder dat de eerder gespleten uiteinden ervan loskomen. Deze zogenaamde ‘littekensequenties’ vormen een belangrijke beperking voor de momenteel gebruikte technieken voor het bewerken van genen.

Het is echter belangrijk op te merken dat deze technologie tot nu toe alleen op bacteriën is getest en dat de effectiviteit ervan op andere soorten cellen, waaronder mensen, nog moet worden bewezen. Het zou echter uiteindelijk de weg kunnen openen naar nieuwe soorten gentherapieën. Volgens deskundigen zal toekomstig onderzoek zich richten op de toepassing van het hulpmiddel op menselijke cellen, het verbeteren van de nauwkeurigheid en efficiëntie ervan, en op het onderzoeken van mogelijke aanvullende functies.

Verklarende video van het onderzoek:

bron : natuur