Die „Regen“-Entwicklung im Labor schafft ein Bearbeitungswerkzeug, das klassische CRISPR-Systeme übertrifft.
Ein System, das dem Genom ein ganzes Gen hinzufügen kann, verwendet Enzyme, die Transposasen (gelb, blau, lila; Künstlereindruck), um die DNA (rot, grün) zu verändern. Quelle: Laguna Design/Science Photo Library
Ein innovatives Genom-Editing-Tool verspricht, das zu tun, was originale CRISPR-Systeme zu erreichen hatten: ganze Gene, präzise und effizient, in die menschliche DNA einzufügen.
Die heute in Science 1 beschriebene Methode könnte den Weg für Genkorrektur-Therapien ebnen, die einmal verabreicht werden würden, und unabhängig von der spezifischen Mutation, die die Krankheit eines Individuums verursacht, funktionieren. Es könnte auch die Entwicklung von entwickelten Zelltherapien für Krebs beschleunigen und die Erstellung genetischer Modelle für die Forschung vereinfachen.
„Es könnte wirklich ein großer Teil der Zukunft sein“, sagt Studien-Mitautor David Liu, ein Chemiebiologe am Broad Institute in Cambridge, Massachusetts.
Sonderlieferung
Eine der am häufigsten verwendeten Gen-Delivery-Methoden beruht auf entwickelten Viren, um genetisches Material in das Genom einer Zelle einzufügen. Obwohl wirksam, neigen diese Viren dazu, ihre Nutzlasten nach dem Zufallsprinzip einzufügen, was schädliche Störungen oder eine schlechte Kontrolle über die Genexpression riskiert.
CRISPR bietet mehr Kontrolle als virale Träger, erfordert aber in der Regel das Schneiden von DNA – die Erhöhung der Chancen auf unerwünschte Mutationen und unvollständige Reparaturen – oder die Entwerfen von benutzerdefinierten Vorlagen für jede Mutation, was ihre Skalierbarkeit einschränkt.
Das neue System umgeht beide Probleme, indem es Genen in voller Länge an gezielten Standorten in einem einzigen Schritt einführt, ohne DNA zu schneiden oder maßgeschneiderte Designs zu benötigen. Die Methode wurde von Liu, dem Biochemiker Samuel Sternberg von der Columbia University in New York City und ihren Kollegen entwickelt und verwendet einen bakteriellen Enzymkomplex, der CRISPR-assoziierte Transposase (CAST) genannt wird.
Transposen sind Enzyme, die die Bewegung von „springenden Genen“ „egoistische“ DNA-Stücken, die um das Genom hüpfen, um sich zu verbreiten, antreiben. Forscher haben bereits CAST-Systeme umfunktioniert, um große Stücke von genetischem Material in Bakterienzellen zu mischen. Aber in menschlichen und anderen Säugetierzellen haben alle zuvor berichteten Versionen von CAST mit geringer Effizienz zu kämpfen.
Enzyme
Um diese Barrieren zu überwinden, wandten sich Liu und Sternberg der gerichteten Evolution zu, einer Technik, die die Kraft der darwinistischen Selektion im Labor nutzt. Sie legen die Schlüsselgene, die die Komponenten eines CAST-Systems in einen Bakteriophagen kodieren, ein Virus, das Bakterien infiziert. Ihr Aufbau sorgte dafür, dass solche Viren mit den effektivsten Versionen von CAST – diejenigen, die DNA schnell und präzise in das Genom integrierten – am besten wachsen würden.
Dann ließen sie die Evolution ihren Lauf nehmen.
Nach Hunderten von viralen Generationen und der rationalen Technik einiger CAST-Komponenten produzierten die Forscher eine optimierte Version des Enzymkomplexes. Dies hatte 21 kleine Veränderungen in fünf Proteinen, die zur CAST-Architektur beitragen – eine Errungenschaft, die die Grenzen des Proteindesigns verschiebt, bemerkt Makoto Saito, ein Bioingenieur bei RIKEN in Waké, Japan. „Das ist verrückte gelenkte Evolution!“ sagt er.
Der resultierende Komplex, genannt evoCAST, zeigte eine Einfügungseffizienz von bis zu 30% an mehreren genomischen Standorten – eine mehr als 400-fache Verbesserung gegenüber dem nicht entwickelten Original.
In Labortests hat evoCAST erfolgreich Segmente von mehr als 10.000 Nukleotiden integriert, die lange genug waren, um ganze Gene und ihre Kontrollelemente zu liefern. Es funktionierte in einer Vielzahl von menschlichen Zelltypen, die auf genomische „sichere Hafen“-Standorte abzielten, die neue DNA aufnehmen können, ohne die zellulären Funktionen zu stören und genetische Nutzlasten an den natürlichen Stellen mehrerer krankheitsbezogener Gene zu installieren.
Bemerkenswert ist, dass evoCAST seine genetische Ladung in einem einzigen enzymatischen Schritt liefert, ohne doppelt gestrandete Brüche im Genom zu schaffen.
https://www.nature.com/articles/d41586-025-01518-w#ref-CR1