Common variant-based genome editing to address the heterogeneity of pathogenic variants in dominant disorders

Eeuwenlang werd de belofte om genetische ziekten te genezen tegengehouden door een eenvoudige, frustrerende realiteit: menselijk DNA is niet één enkele, uniforme code. Het is een enorme bibliotheek waar hetzelfde boek met duizenden verschillende typefouten kan worden gedrukt. Bij veel erfelijke aandoeningen is een enkele fout in een gen genoeg om ernstige ziekte te veroorzaken. Hoewel wetenschappers krachtige instrumenten hebben ontwikkeld om DNA te bewerken, was het repareren van deze fouten alsof men probeerde een specifieke typefout te herstellen in een boek dat miljoenen verschillende edities heeft, elk met een andere fout. Als een therapie wordt ontworpen om één specifieke fout te herstellen, faalt het vaak om de grote meerderheid van de patiënten te helpen die een andere versie van diezelfde fout dragen. Deze uitdaging heeft veel families doen wachten op een genezing die net buiten bereik lijkt, afgestemd op een genetische variatie die te zeldzaam is om de kosten te rechtvaardigen voor het ontwikkelen van een unieke behandeling voor elke persoon.

Een team onderzoekers aan de Hong Kong University of Science and Technology heeft een nieuwe manier voorgesteld om deze complexiteit te navigeren. In plaats van te proberen elke individuele typefout te vinden en te herstellen, hebben zij een strategie ontwikkeld genaamd COVER, die werkt door zich te richten op de algemene, onschadelijke variaties die van nature in ieders DNA voorkomen. De logica is eenvoudig: in veel gevallen is de ziekteveroorzakende fout fysiek verbonden met een specifieke, veelvoorkomende variatie op hetzelfde stuk DNA. Door een moleculair instrument te ontwerpen dat deze veelvoorkomende variatie herkent, kunnen de onderzoekers het volledige DNA-segment dat de ziekteveroorzakende fout bevat selectief wegknippen, waarbij het gezonde exemplaar van het gen ongemoeid blijft. Deze aanpak hoeft niet precies te weten wat de ziekteveroorzakende fout is; het hoeft alleen te weten welke veelvoorkomende variatie ermee samen reist. In een recent gepubliceerde studie toonde het team aan dat deze methode theoretisch bijna de helft van alle patiënten met een breed scala aan dominante genetische stoornissen zou kunnen bestrijken, een aanzienlijke vooruitgang ten opzichte van eerdere methoden die slechts een klein deel van de mensen konden helpen.

De onderzoekers begonnen met het in kaart brengen van het landschap van meer dan 1.800 genen die bekend staan als oorzaak van dominante stoornissen. Ze ontdekten dat binnen deze genen de ziekteveroorzakende fouten ongelooflijk divers waren, met duizenden verschillende zeldzame variaties verspreid over de populatie. Als een arts een patiënt probeert te behandelen door zich te richten op de specifieke fout die diegene draagt, zou hij voor bijna elke individuele persoon een op maat gemaakt instrument nodig hebben. Het team realiseerde zich dat hoewel de fouten zeldzaam waren, het omliggende DNA vaak veelvoorkomende variaties bevatte die frequent voorkomen in de algemene populatie. Zij ontwikkelden een workflow om paren van deze veelvoorkomende variaties te vinden die aan weerszijden van een sectie van het gen liggen. Als een instrument het DNA tussen deze twee gemeenschappelijke punten kon wegknippen, zou het de ziekteverdoorzakende fout samen met dat segment verwijderen, mits de fout zich in dat middelste gedeelte bevindt.

Om dit te laten werken, moest het team ervoor zorgen dat het verwijderen van het middelste gedeelte de patiënt geen schade zou berokkenen. Ze richtten zich op genen waarbij één werkend exemplaar voldoende is voor het lichaam om normaal te functioneren. Voor deze genen ontwierpen ze drie manieren om het slechte exemplaar uit te schakelen. De eerste methode hield in dat een klein stukje van het gen werd weggeknipt dat, wanneer verwijderd, de instructies voor de rest van het eiwit zou verstoren, waardoor het effectief wordt uitgeschakeld. De tweede methode richtte zich op het begin van het gen, waarbij het startsignaal werd verwijderd zodat het eiwit helemaal niet gebouwd kon worden. De derde, meer drastische methode hield in dat het gehele gen werd verwijderd. Door deze strategieën toe te passen op hun database, ontdekten ze dat ze voor 902 van de ziekteveroorzakende genen een paar veelvoorkomende variaties konden identificeren die hen in staat zouden stellen het slechte exemplaar selectief uit te schakelen.

De resultaten van deze analyse waren opmerkelijk. Toen ze berekenden hoeveel mensen baat zouden hebben bij deze aanpak, kwamen ze tot de conclusie dat één enkel ontwerp voor een specifiek gen potentieel ongeveer 46 procent van de patiënten die de ziekte van dat gen dragen, zou kunnen helpen. Dit is meer dan de dubbele dekking die wordt bereikt door te richten op de meest voorkomende ziektefout in dat gen. De onderzoekers merkten op dat dit hoge niveau van dekking consistent was over verschillende populaties wereldwijd, wat suggereert dat de strategie breed toepasbaar is. Ze bevestigden ook dat de algemene populatiedata die ze gebruikten om deze veelvoorkomende variaties te vinden, de genetische opbouw van mensen die daadwerkelijk de ziekte dragen nauwkeurig weerspiegelden, wat betekent dat de ontwerpen die zij creëerden waarschijnlijk zouden werken voor echte patiënten.

Om te bewijzen dat dit idee werkt in een levend systeem, testte het team het op twee specifieke ziekten: een vorm van vroege Alzheimer en Alexanderziekte, een aandoening die de onderste cellen van de hersenen aantast. Voor het Alzheimer-model gebruikten ze cellen afkomstig van patiënten die een specifieke mutatie dragen. Ze identificeerden een paar veelvoorkomende variaties nabij de mutatie en ontwierpen een moleculair instrument om het DNA tussen hen weg te knippen. Wanneer ze dit instrument op de patiëntcellen toepasten, verwijderde het succesvol het ziekteveroorzakende deel van het DNA op het slechte exemplaar, terwijl het gezonde exemplaar intact bleef. De bewerkte cellen vertoonden een dramatische afname van de toxische eiwitten geassocieerd met de ziekte van Alzheimer. Bovendien leken de cellen gezonder, met lagere niveaus van oxidatieve stress en betere tekenen van normale cellulaire functie in vergelijking met onbewerkte cellen.

Ze herhaalden dit succes met de Alexanderziekte, waarbij ze een iets andere snijstrategie gebruikten die het startsignaal van het gen verwijderde. Opnieuw schakelde het instrument het gemuteerde gen in de patiëntafgeleide cellen selectief uit. Het resultaat was een significante vermindering van de klonters toxisch eiwit die kenmerkend zijn voor de ziekte, waardoor de cellen dichter bij een gezonde staat kwamen. In beide gevallen was de bewerking precies; de onderzoekers controleerden de cellen en vonden geen bewijs dat het instrument per ongeluk andere delen van het genoom had doorgeknipt. Deze experimenten dienden als een bewijs van concept, waarbij werd aangetoond dat een strategie gebaseerd op veelvoorkomende variaties effectief een ziekteveroorzakend gen kan uitschakelen zonder de exacte aard van de mutatie te hoeven kennen.

Om ervoor te zorgen dat andere wetenschappers deze aanpak kunnen gebruiken, heeft het team een gratis online platform gebouwd waar onderzoekers de naam van elk gen dat zij bestuderen kunnen invoeren. Het platform scant automatisch naar de beste paren van veelvoorkomende variaties om voor te knippen, en biedt een kant-en-klaar ontwerp voor potentiële therapieën. Dit instrument transformeert een complex computationeel proces tot iets toegankelijks, waardoor de medische gemeenschap snel kan identificeren welke genen geschikt zijn voor dit type behandeling. De onderzoekers benadrukken dat hoewel hun werk een belangrijke stap voorwaarts is, het zich nog in een vroeg stadium bevindt. De ontwerpen die zij hebben gemaakt, moeten verder getest worden om te garanderen dat ze veilig en effectief zijn bij mensen. Echter, het vermogen om een groot deel van de patiënten te behandelen met een enkele, mutatie-onafhankelijke strategie biedt een nieuw pad voorwaarts voor ziekten die lang als te complex werden beschouwd om te genezen.

De betekenis van dit werk ligt in de verschuiving van een gepersonaliseerde naar een gegeneraliseerde aanpak. Decennialang was het doel van genetische geneeskunde om een behandeling op de persoon af te stemmen. Hoewel dat belangrijk blijft, laat de COVER-strategie zien dat voor veel dominante stoornissen een bredere oplossing mogelijk is. Door gebruik te maken van de natuurlijke variaties die in ons allemaal aanwezig zijn, kunnen wetenschappers therapieën creëren die niet beperkt worden door de specifieke fout die een patiënt draagt. Dit betekent niet dat elke patiënt onmiddellijk genezen zal zijn, maar het betekent wel dat de drempel voor deze behandelingen veel lager is. In plaats van duizenden verschillende medicijnen nodig te hebben voor duizenden verschillende mutaties, kan de medische gemeenschap binnenkort beschikken over een toolkit van ontwerpen die de overgrote meerderheid van de gevallen kan dekken. Het pad van het laboratorium naar de kliniek is lang, maar deze studie biedt een duidelijke kaart om daar te komen, waarbij de uitdaging van genetische diversiteit wordt omgezet van een obstakel in een kans.