Compact type II-D Cas9 nucleases for efficient and specific genome editing

Stel je een wereld voor waarin artsen de genetische instructies in de cellen van een levend persoon kunnen herschrijven om ziekten te genezen die geen andere behandeling hebben. Om dit te doen, hebben ze een hulpmiddel nodig dat klein genoeg is om in een piepklein voertuig te passen, zoals een microscopische vrachtwagen, en nauwkeurig genoeg om precies de plek in het DNA aan te snijden die gerepareerd moet worden. Jarenlang hebben wetenschappers naar een dergelijk hulpmiddel gezocht, op zoek naar een moleculaire schaar die zowel krachtig als compact is. De bekendste versie van dit hulpmiddel is een eiwit genaamd Cas9, dat werkt als een geleide raket om specifieke DNA-sequenties op te zoeken en door te snijden. De meest voorkomende versie van dit eiwit is echter vrij groot, wat het moeilijk maakt om het in de voertuigen te verpakken die voor menselijke therapieën worden gebruikt. Deze beperking in grootte is een grote hindernis geweest, waardoor onderzoekers op zoek moesten gaan naar kleinere, efficiëntere alternatieven die nog steeds de klus kunnen klaren met een hoge nauwkeurigheid.

Een team van onderzoekers richtte zich onlangs op een specifieke familie van deze moleculaire scharen, bekend als Type II-D Cas9. Deze enzymen zijn van nature kleiner dan de standaardversies, wat hen ideale kandidaten maakt voor therapeutisch gebruik. Hoewel wetenschappers wisten dat enkele leden van deze familie genen in menselijke cellen konden bewerken, was het onduidelijk of dit vermogen een zeldzame uitzondering was of een gemeenschappelijk kenmerk van de hele groep. Om dit te achterhalen, doorzochten de onderzoekers een enorme digitale bibliotheek van genetische gegevens verzameld uit de omgeving, op zoek naar nieuwe, niet-gekarakteriseerde versies van deze compacte enzymen. Ze identificeerden vijf nieuwe kandidaten die de belangrijkste structurele kenmerken van de Type II-D-familie deelden, allemaal ongeveer dezelfde kleine omvang hadden, en gingen testen of ze daadwerkelijk in menselijke cellen konden werken.

De wetenschappers selecteerden twee van deze nieuwe enzymen, die ze Cas9d-1 en Cas9d-4 noemden, om te zien hoe goed ze presteerden in vergelijking met bestaande hulpmiddelen. Wanneer ze deze enzymen in menselijke cellen introduceerden, bleken ze beide in staat te zijn om specifieke doelwitten in het menselijke genoom op te zoeken en door te snijden. In één specifieke test werkte een van de nieuwe enzymen zelfs beter dan de standaard, veelgebruikte versie van Cas9, waarbij het een snij-efficiëntie van maar liefst 20,1 procent bereikte. Belangrijker nog was dat deze nieuwe hulpmiddelen opmerkelijk precies waren. Ze maakten de gewenste sneden zonder onbedoelde schade aan te richten aan andere delen van het DNA, een veelvoorkomend probleem dat bekend staat als off-target activiteit. De resultaten lieten ook zien dat wanneer deze enzymen een snede maakten, het herstelproces van de cel de neiging had om kleine deleties te creëren in plaats van andere soorten veranderingen, wat een voorspelbare uitkomst biedt voor onderzoekers.

Misschien wel de meest significante bevinding was dat deze twee nieuwe enzymen beter presteerden dan het enige andere lid van deze familie dat eerder in menselijke cellen was getest. Wanneer ze zij aan zij werden geplaatst onder exact dezelfde omstandigheden, bewerkten de nieuwe versies het DNA efficiënter dan het oudere, bekende voorbeeld. Dit suggereert dat het vermogen om menselijke genen te bewerken geen toevalstreffer is die beperkt is tot één enkel zeldzaam enzym, maar een algemene kracht die gedeeld wordt door deze groep compacte eiwitten. Door te bevestigen dat deze kleine, enkelvoudige eiwit-hulpmiddelen zowel robuust als specifiek zijn, biedt de studie een veelbelovend nieuw scala aan opties voor toekomstige medische behandelingen. Deze bevindingen geven aan dat wetenschappers nu over een betere selectie beschikken van compacte, enkelvoudige hulpmiddelen die klaar zijn om in levende organismen te worden getest, waardoor het doel van veilige en effectieve gentherapie een stap dichter bij de realiteit komt.