Onderzoekers van het Center for Genome Engineering binnen het Institute for Basic Science ontwikkelden een nieuw gen-editing platform genaamd transcription activator-like effector-linked deaminasen, of TALED. TALED’s zijn basiseditors die in staat zijn om A-naar-G-baseconversie in mitochondriën uit te voeren. Deze ontdekking was het hoogtepunt van een decennialange reis om menselijke genetische ziekten te genezen, en TALED kan worden beschouwd als het laatste ontbrekende stukje van de puzzel in de technologie voor het bewerken van genen.
Vanaf de identificatie van het eerste restrictie-enzym in 1968, de uitvinding van de polymerasekettingreactie (PCR) in 1985, en de demonstratie van CRISPR-gemedieerde genoombewerking in 2013, verbeterde elke nieuwe doorbraak in de biotechnologie ons vermogen om DNA te manipuleren, de blauwdruk van het leven. Met name de recente ontwikkeling van het CRISPR-Cas-systeem, of “genetische schaar”, heeft uitgebreide genoombewerking van levende cellen mogelijk gemaakt. Dit opende nieuwe mogelijkheden voor de behandeling van voorheen ongeneeslijke genetische ziekten door de mutaties uit ons genoom te bewerken.
Hoewel het bewerken van genen grotendeels succesvol was in het nucleaire genoom van de cellen, zijn wetenschappers er niet in geslaagd de mitochondriën te bewerken, die ook hun eigen genoom hebben. Mitochondriën, de zogenaamde “krachtcentrale van de cellen”, zijn kleine organellen in cellen die dienen als energieopwekkende fabrieken. Omdat het een belangrijk organel is voor het energiemetabolisme, veroorzaakt het, als het gen wordt gemuteerd, ernstige genetische ziekten die verband houden met het energiemetabolisme.
Directeur KIM Jin-Soo van het Center for Genome Engineering legt uit: “Er zijn een aantal zeer vervelende erfelijke ziekten die ontstaan als gevolg van defecten in het mitochondriaal DNA. Zo wordt Leber erfelijke optische neuropathie (LHON), die plotselinge blindheid in beide ogen veroorzaakt, veroorzaakt door een eenvoudige enkele puntmutatie in mitochondriaal DNA.” Een andere mitochondriale gen-gerelateerde ziekte omvat mitochondriale encefalomyopathie met lactaatacidose en beroerte-achtige episodes (MELAS), die langzaam de hersenen van de patiënt vernietigt. Sommige onderzoeken suggereren zelfs dat afwijkingen in het mitochondriaal DNA ook verantwoordelijk kunnen zijn voor degeneratieve ziekten zoals de ziekte van Alzheimer en spierdystrofie.
Het mitochondriale genoom wordt geërfd van de moederlijn. Er zijn 90 ziekteveroorzakende puntmutaties in mitochondriaal DNA bekend, die in totaal ten minste 1 op de 5.000 personen treffen. Veel bestaande genoombewerkingstools konden niet worden gebruikt vanwege beperkingen in de methode van levering aan mitochondriën. Het CRISPR-Cas-platform is bijvoorbeeld niet toepasbaar voor het bewerken van deze mutaties in mitochondriën, omdat het gids-RNA het organel zelf niet kan binnendringen.
“Een ander probleem is dat er een gebrek is aan diermodellen van deze mitochondriale ziekten. Dit komt omdat het momenteel niet mogelijk is om mitochondriale mutaties te ontwikkelen die nodig zijn om diermodellen te maken,” voegde directeur Kim eraan toe. “Gebrek aan diermodellen maakt het erg moeilijk om therapieën voor deze ziekten te ontwikkelen en te testen.”
Als zodanig is betrouwbare technologie om mitochondriaal DNA te bewerken een van de laatste grenzen van genoom-engineering die moet worden verkend om alle bekende genetische ziekten te overwinnen, en ’s werelds meest elite wetenschappers hebben jarenlang geprobeerd om dit te realiseren.
advertentie
In 2020 creëerden onderzoekers onder leiding van David R. LIU van het Broad Institute of Harvard en MIT een nieuwe basiseditor genaamd DddA-afgeleide cytosinebase-editors (DdCBE’s) die C-naar-T-conversie van DNA in mitochondriën kunnen uitvoeren. Dit werd mogelijk gemaakt door het creëren van een nieuwe technologie voor het bewerken van genen, base-editing genaamd, die een enkele nucleotidebase omzet in een andere zonder het DNA te breken. Deze techniek had echter ook zijn beperkingen. Het is niet alleen beperkt tot C-naar-T-conversie, maar het is meestal beperkt tot het TC-motief, waardoor het in feite een TC-TT-converter is. Dit betekent dat het slechts 9 van de 90 (= 10%) bevestigde pathogene mitochondriale puntmutaties kan corrigeren. Lange tijd werd gedacht dat de A-naar-G-conversie van mitochondriaal DNA onmogelijk was.
Eerste auteur CHO Sung-Ik zei: “We begonnen manieren te bedenken om deze beperkingen te overwinnen. Als resultaat waren we in staat om een nieuw genbewerkingsplatform te creëren, TALED genaamd, dat A-naar-G-conversie kan bereiken. Onze nieuwe basis editor heeft de reikwijdte van mitochondriale genoombewerking drastisch uitgebreid. Dit kan een grote bijdrage leveren, niet alleen aan het maken van een ziektemodel, maar ook aan het ontwikkelen van een behandeling.” Opgemerkt moet worden dat het kunnen uitvoeren van A-naar-G-conversies in humaan mtDNA alleen 39 (= 43%) van de 90 bekende pathogene mutaties zou kunnen corrigeren.
De onderzoekers creëerden TALED door drie verschillende componenten te fuseren. De eerste component is een transcription activator-like effector (TALE), die in staat is een DNA-sequentie te targeten. De tweede component is TadA8e, een adeninedeaminase voor het vergemakkelijken van A-naar-G-conversie. De derde component, DddAtox, is een cytosinedeaminase dat het DNA toegankelijker maakt voor TadA8e.
Een interessant aspect van TALED is het vermogen van TadA8e om A-naar-G-bewerkingen uit te voeren in mitochondriën, die dubbelstrengs DNA (dsDNA) bezitten. Dit is een mysterieus fenomeen, aangezien TadA8e een eiwit is waarvan bekend is dat het specifiek is voor alleen enkelstrengs DNA. Directeur Kim zei: “Niemand heeft er eerder aan gedacht om TadA8e te gebruiken om base-editing in mitochondriën uit te voeren, aangezien het verondersteld wordt specifiek te zijn voor enkel enkelstrengs DNA. Het was deze out-of-the-box-benadering die ons echt heeft geholpen om VERHAAL.”
De onderzoekers theoretiseerden dat DddAtox ervoor zorgt dat dsDNA toegankelijk is door de dubbelstrengs tijdelijk af te wikkelen. Dit vluchtige maar tijdelijke tijdvenster stelt TadA8e, een supersnelwerkend enzym, in staat om snel de nodige bewerkingen uit te voeren. Naast het tweaken van de componenten van TALED, ontwikkelden de onderzoekers ook een technologie die in staat is om zowel A-naar-G als C-to-T basisbewerkingen tegelijk te doen, evenals alleen A-naar-G basisbewerkingen.
De groep demonstreerde deze nieuwe technologie door een van een enkele cel afgeleide kloon te maken die de gewenste mtDNA-bewerkingen bevat. Bovendien bleken TALED’s niet cytotoxisch te zijn en ook niet instabiliteit in mtDNA te veroorzaken. Ook was er geen ongewenste off-target-editing in nucleair DNA en zeer weinig off-target-effecten in mtDNA. De onderzoekers streven er nu naar om de TALED’s verder te verbeteren door de bewerkingsefficiëntie en specificiteit te vergroten, en uiteindelijk de weg vrij te maken voor het corrigeren van ziekteverwekkende mtDNA-mutaties in embryo’s, foetussen, pasgeborenen of volwassen patiënten. De groep richt zich ook op de ontwikkeling van TALED’s die geschikt zijn voor A-naar-G-base-editing in chloroplast-DNA, dat codeert voor essentiële genen in fotosynthese in planten.
lees het gehele artikel bij de bron
————————————————– ———————————–
samenvatting:
Een nieuw tijdperk van mitochondriale genoombewerking is begonnen. Wetenschappers realiseren met succes een conversie van A naar G-base, het laatste ontbrekende stukje van de puzzel in de technologie voor het bewerken van genen.
Datum van publicatie: 26 april 2022
Bron: Klimaat | Top milieunieuws — ScienceDaily
————————————————– ———————————–