Génterápiára is alkalmas lehet a miniatűr molekuláris olló

A Stanford Egyetem kutatói kifejlesztették a CRISPR genomszerkesztő rendszer miniatürizált változatát, amely akár génterápiára is alkalmas lehet, mert könnyebben jut be a sejtekbe.

A CRISPR rendszert gyakran szokás molekuláris ollónak nevezni, amellyel kivághatjuk a DNS kiválasztott szakaszát, és ha akarunk, beilleszthetünk a helyére mást. Stanley Qi, a Stanford Egyetem biomérnök tanára alapvetően egyetért ezzel a hasonlattal, de úgy hiszi, ideje a CRISPR-t inkább svájci bicskának elképzelnünk. „A CRISPR-t valóban lehet szimpla vágásra is használni, de alkalmas szabályozásra, szerkesztésre, jelölésre, sőt, még képalkotásra is. Minduntalan új felhasználási lehetőségekre bukkanunk ezen az izgalmas területen" – mondta el Qi, aki egyben a Stanford orvostudományi karának kémiai- és rendszerbiológia előadója és a ChEM-H intézet kutatója.

Azonban a jelenleg használt és a szem, a máj és az agy betegségeinek génterápiájára klinikai vizsgálatba bevont legkülönbözőbb CRISPR változatok egyike sem tud túllépni egy bizonyos korlátot, mert mindannyian ugyanazzal a problémával küzdenek:

túl nagyok, ezért nehéz őket élő szervezetek sejtjeibe és szöveteibe bejuttatni.

A Molecular Cell folyóirat legutóbbi számában Qi és munkatársai egy olyan új, hatékony és rugalmas felhasználású mini-CRISPR rendszert mutatnak be, amelyről úgy vélik, jelentős előrelépést hoz majd a CRISPR technika kísérleti és terápiás hasznosításában.

Míg a széles körben használt CRISPR rendszerek az 1000-1500 aminosav hosszúságú Cas9 és Cas12a fehérjéken alapulnak, a most bejelentett CasMINI mindössze 529 aminosav hosszúságú.

A CRISPR illusztrációja Forrás: Keith Chambers

A kutatók kísérletesen igazolták, hogy a CasMINI ugyanúgy képes a genetikai anyagban törölni, aktiválni és szerkeszteni kiválasztott szakaszokat, mint „testesebb" elődjei. Kisebb mérete révén joggal remélhető, hogy könnyebben jut majd be az élő emberi test sejtjeibe, s ezáltal alkalmas lehet különböző betegségek – szemproblémák, szervdegeneráció, és általában a genetikai betegségek – kezelésére.

A méret minimalizálása érdekében a tudósok az eleve csak 400-700 aminosavat tartalmazó, Cas14 néven is ismert Cas12f fehérjével kezdtek dolgozni. A gond az, hogy a többi CRISPR fehérjéhez hasonlóan a Cas12f is eredendően az archaeákból – egyszerű, egysejtes szerveződésű ősbaktériumokból – származik, ezért emlős sejtekben nem működik megfelelően. Csak néhány olyan CRISPR fehérje akad, amely módosítás nélkül is megállja a helyét az emlős sejtekben, és a Cas12f sajnos nem tartozik közéjük. Ám egy Qihez hasonló biomérnök ettől nem riad meg, ellenkezőleg: izgalmas kihívásnak tekinti. „Évmilliók evolúciója nem tette alkalmassá ezt a CRISPR rendszert arra, hogy az emberi szervezetben működjön. Vajon mi egy-két év leforgása alatt meg tudjuk ezt változtatni?" – tette fel a kérdést a kezdetkor Qi. –

Tudomásom szerint mi most első alkalommal faragtunk működő CRISPR rendszert egy működésképtelenből."

Illusztráció Forrás: Science Photo Library

Amikor Xiaoshu Xu, a Qi-labor posztdoktora és a cikk vezető szerzője először ellenőrizte a Cas12f aktivitását emberi sejteken, csakugyan semmit sem látott. Xu és Qi azt feltételezték, hogy a Cas12f azért nem talál rá célszekvenciájára a humán genomban, mert az jóval bonyolultabb és kevésbé hozzáférhető a mikrobiális DNS-nél. A Cas12f rendszer számítógépesen jósolt szerkezetét figyelembe véve gondosan kiválasztottak a fehérjében 40 olyan aminosav-pozíciót, melyeknek mutációjától azt remélték, hogy esetleg áttörik velük a gátat. A rengeteg szóba jöhető fehérjeváltozat párhuzamos tesztelésére külön tesztrendszert hoztak létre, melyben ha működőképessé alakul a fehérje, akkor zöld fluoreszcenciát kapcsol be az emberi sejtekben.

„A rendszer először egy egész éven át nem működött – meséli Xu. –

De aztán több környi biomérnöki újratervezés után elkezdtük látni, ahogy egyes módosított fehérjék mintegy varázsütésre működésbe lendülnek.

Úgy éreztük, kalapot kell emelnünk a szintetikus biológia és a biomérnökség hatalma előtt."

Az első sikerek még szerények voltak, de eléggé biztatóak Xu számára ahhoz, hogy tovább lendítsék az úton, hiszen bizonyították, hogy a rendszer működik. Számos próbálkozás nyomán végül sikerült a fehérje teljesítményét növelni. „Eleinte mondjuk annyit láttunk, hogy két darab sejt zöld a mikroszkóp alatt.

Most, a kitartó mérnöki tervezés eredményeképpen csaknem minden egyes sejt zöld"

– büszkélkedett Xu.

„Eljött az a pont, amikor le kellett őt állítanom – mosolyog Qi. – Azt mondtam neki: ez már elég jó. Elég jó rendszert raktál össze. Ideje elgondolkoznunk a gyakorlati alkalmazásokon."

Illusztráció Forrás: Science Photo Library

A fehérjemérnökösködés mellett a kutatók azt az RNS-t is újratervezték, amely a Cas fehérjét a DNS-célszekvenciájához irányítja. Mindkét komponens módosítása kulcsfontosságúnak bizonyult ahhoz, hogy a CasMINI rendszert emberi sejtekben működésre bírják. Laboratóriumban tenyésztett emberi sejteken próbára tették a CasMINI képességeit a gének törlése és szerkesztése terén; egyebek között a HIV-fertőzéshez, a tumorellenes immunválaszhoz és az örökletes vérszegénységhez kapcsolódó géneket vettek vele célba.

Csaknem mindegyik kipróbált génnel működött, s közülük némelyikkel kimondottan hathatós választ értek el.

A szerzők már elkezdtek együttműködéseket szervezni más kutatókkal a rendszer génterápiás célú kipróbálása érdekében. Kíváncsiak arra is, miként tudnának az mRNS-alapú COVID-19 oltásokhoz hasonló RNS-technológiák fejlesztésébe bekapcsolódni, ahol a méret szintén korlátozó tényező lehet.

„A CRISPR kezdeteitől fogva mindenki vágyott az ilyenféle mérnöki tervezés lehetőségére, és úgy érzem, mi hozzáadtuk a magunk részét ahhoz, hogy ez valóra váljon – mondta Qi. – És ez a mérnöki megközelítés valóban hozzásegít minket sok mindenhez. Ez az, ami izgat engem: ajtót nyitni az új lehetőségek felé."