Wetenschappers van de Universiteit van Zürich hebben een compact eiwit ontwikkeld dat effectiever is in het aanpassen van DNA dan zijn voorgangers. Deze ontdekking zou wel eens de weg kunnen vrijmaken voor nieuwe behandelingen van erfelijke aandoeningen, waaronder een veelvoorkomende oorzaak van een te hoog cholesterolgehalte.
Het verhaal begint bij de CRISPR-Cas systemen, een natuurlijk verdedigingsmechanisme van bacteriën tegen virussen. In het afgelopen decennium hebben wetenschappers deze systemen omgevormd tot manipuleerbare “genscharen” die specifieke delen van ons DNA kunnen vinden en bewerken. Deze technologie heeft de genetische manipulatie in de wetenschap en geneeskunde op zijn kop gezet. Toch zijn er nog beperkingen. Een van de belangrijkste problemen is dat de Cas-eiwitten, die een cruciale rol spelen in deze systemen, te groot zijn om bepaalde cellen binnen te dringen om daar hun werk te doen.
Kleinere eiwitten
Recentelijk ontdekten onderzoekers dat de Cas-eiwitten zijn geëvolueerd uit veel kleinere eiwitten. Een van deze voorlopers is TnpB, dat de basis vormde voor het Cas12-eiwit. Hoewel de kleinere omvang van TnpB voordelen biedt voor de toepassing in het menselijk lichaam, was de efficiëntie tot nu toe een struikelblok. Het onderzoeksteam heeft nu een doorbraak bereikt die deze kleinere eiwitten bruikbaar maakt. Ze hebben TnpB zodanig aangepast dat het maar liefst 4,4 keer efficiënter is in het modificeren van DNA. “De truc was om het eiwit op twee manieren aan te passen: ten eerste, zodat het efficiënter naar de kern gaat waar het genomische DNA zich bevindt, en ten tweede, zodat het zich ook richt op alternatieve genoomsequenties”, zegt Kim Marquart, hoofdauteur van de studie, die in vakblad Nature Methods werd gepubliceerd.
Getest op muizenorganen
Om te bepalen welke kenmerken de efficiëntie van gen-bewerking beïnvloeden, testten de onderzoekers TnpB op meer dan 10.000 verschillende doellocaties. Daarna ontwikkelden ze een AI-model dat de effectiviteit van TnpB bij elke gegeven doellocatie kan voorspellen. “Ons model kan voorspellen hoe goed TnpB zal werken in verschillende scenario’s, waardoor het makkelijker en sneller wordt om succesvolle gen-editing experimenten te ontwerpen. Met behulp van deze voorspellingen bereikten we tot 75,3 procent efficiëntie in muizenlevers en 65,9 procent in muizenhersenen”, aldus Marquart. Dankzij de kleinere omvang van TnpB konden de wetenschappers het hele systeem in één virusdeeltje verpakken. “Bij CRISPR-Cas9 moeten we meerdere virusdeeltjes gebruiken, wat betekent dat er hogere doses nodig zijn.”
Hypercholesterolomie behandelen
Het onderzoeksteam richtte zich met deze studie specifiek op de behandeling van familiaire hypercholesterolemie, een erfelijke aandoening die wereldwijd ongeveer 31 miljoen mensen treft. Deze ziekte leidt tot een verhoogd cholesterolgehalte en verhoogt het risico op vroegtijdige hart- en vaatziekten aanzienlijk. Hypercholesterolemie is een levenslange aandoening. “We waren in staat om een gen te bewerken dat het cholesterolgehalte reguleert, waardoor het cholesterol in behandelde muizen met bijna 80% daalde. Het doel is om vergelijkbare genbewerkingstrategieën bij mensen te ontwikkelen om patiënten met hypercholesterolemie te behandelen”, zegt mede-auteur van de studie Gerald Schwank.
Wat is CRISPR-Cas?
CRISPR-Cas is een techniek die het mogelijk maakt om DNA in organismen op een nauwkeurige manier te bewerken. Het systeem is gebaseerd op een natuurlijke verdedigingsmechanisme dat voorkomt in bacteriën, waar het hen helpt om zich te beschermen tegen virussen. CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) fungeert als een soort geheugenbank voor eerder ondervonden virussen, terwijl Cas (CRISPR-associated protein) fungeert als een enzym dat het DNA op specifieke plekken kan knippen. Deze techniek heeft enorme potentieel in de geneeskunde, landbouw en biowetenschappen, doordat het onderzoekers in staat stelt om genen te veranderen, ziekten te bestrijden en organismen met gewenste eigenschappen te creëren.
