Genredigering revolutionerar biovetenskapens forskningslandskap och har ett stort löfte om att "radera" sjukdomar från människokroppar. Sandia National Laboratories arbetar för att göra denna teknik säkrare och för att säkerställa att den en dag kan levereras till människor utan att utlösa negativa immunsystemreaktioner eller orsaka andra oönskade biverkningar.

Sandia-biokemisten Joe Schoeniger förklarar att teknik för genredigering är baserad på ett "miljardårigt vapenlopp" mellan bakterier och virus som försöker attackera dem.

Bakterier sparar bitar av invaderande viralt DNA med hjälp av ett system som heter Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats eller CRISPR. Detta system hjälper bakterier att känna igen ett virus när det återkommer för en upprepad attack. CRISPR -systemet producerar Cas9, ett enzym som binder till det kränkande virala DNA, skär sedan och förstör det.

Detta bakteriella försvarssystem kan programmeras. Forskare kan skicka CRISPR-Cas9 till en exakt plats för att ändra en specifik bit DNA.

Möjligheten att ändra DNA är användbar, särskilt när det gäller genetiska sjukdomar, men förändringar av DNA är för närvarande irreversibla. Att använda tekniken som den är idag kan orsaka oavsiktlig, farliga och permanenta biverkningar. Det kan skära ett genom på fel plats (dvs. har effekter utanför målet), kan orsaka sjukdom.

Dessutom, CRISPR-Cas9 behöver en bärare levereras till mänskliga celler. Vanligtvis, denna bärare är ett virus kopplat till förkylning som kallas adeno -associerat virus. Enligt Sandia virolog Oscar Negrete, en majoritet av människor har utsatts för stammar av detta virus någon gång. Det betyder att människor är snabba med att tillverka antikroppar mot det, vilket gör det till en engångsbehandling endast. Även vid den första användningen, patienter kommer sannolikt att få en immunreaktion, Negrete förklarade. Nya tillvägagångssätt behövs som gör att behandlingen framgångsrikt kan användas mer än en gång om det behövs.

Kontroll av CRISPR

För att kunna styra CRISPR -tekniken och använda den utan att orsaka permanenta DNA -förändringar, försvarsbyrån för avancerade forskningsprojekt skapade programmet Safe Genes.

En insats som finansieras under Safe Genes är 2,5 miljoner dollar, tvåårigt projekt som leds av Jennifer Doudnas laboratorium vid University of California, Berkeley, i samarbete med Sandia, och University of California, San Francisco. Doudna är en pionjär inom utvecklingen av CRISPR. Om den tidiga forskningen är givande, DARPA kan förlänga denna insats med ytterligare två år, vilket ger totalt fyra år och $ 5 miljoner.

Virus är skickliga på att ändra sitt DNA och generera nya anti-CRISPR-proteiner för att blockera det bakteriella immunsystemet. Detta är den andra sidan av bakterievirusets "vapenkapplöpning". Dessa proteiner kan fungera som motgift, så att genredigerare kan stängas av om det behövs.

Safe Genes-teamet utnyttjar dessa proteiner för att utveckla hämmare som kan kontrollera off-target-effekter av CRISPR. Schoeniger sa att om en dos av en genredigerare behöver administreras, det kan följas av en dos hämmare för att stänga av den, minimera den tid som effekter utanför mål kan äga rum.

Gör om lasten

Detta Safe Genes -projekt bygger på arbete som pågår på Sandia som också är inriktat på att bekämpa infektionssjukdomar med hjälp av genredigering.

I vanliga fall, CRISPR -systemet riktar sig mot DNA, men Sandia har samarbetat med Doudnas team för att skapa ett CRISPR -system som riktar in sig på RNA istället. Att attackera virus -RNA direkt kommer sannolikt att vara effektivt mot de flesta patogener av oro för biosäkerhet, sa Negrete.

CRISPR -system finns redan som riktar RNA, men dessa system resulterar i allmän RNA -nedbrytning. Detta nya RNA-inriktningssystem kan påverka specifikt mänskligt eller animaliskt RNA, inklusive de som är kända för att koda proteiner som hjälper virusinfektion.

"Vissa proteiner är kända inkörsportar för inkräktare, "Negrete förklaras." Om du slår ut dessa proteiner via deras kodande RNA, patogenerna kan inte komma in i dina celler och du har inte gjort några permanenta ändringar i ditt genom. "

Utveckla säkra CRISPR -applikationer

För projektet Safe Genes, Sandia kommer att testa RNA-inriktad CRISPR-teknik mot en mängd olika virus. Sandia -teamet kommer att leverera CRISPR till däggdjursceller som är infekterade med en mängd olika RNA -virus, inklusive Ebola och Rift Valley Fever Virus, som orsakar symtom som hemorragisk feber. Sedan mäter de nivån av virus som finns kvar i cellerna efter behandlingen.

"Helst, vi skulle vilja se att virusnivån minskade till noll. Om det inte är det, CRISPR -tekniken skulle behöva modifieras, "Sa Negrete.

Dessutom, UCSF-teamet utvecklar CRISPR-härledd teknik för att slå på och av gener utan att redigera DNA. För denna applikation, teamet utnyttjar CRISPR för riktad DNA -metylering. DNA-metylering är en icke-destruktiv mekanism för genuttrycksreglering som sker naturligt under hela däggdjurs livscykel.

Negrete tror på detta arbete, om det lyckas, skulle representera ett kvantsprång framåt för virologi eftersom de nya CRISPR -teknikerna skulle attackera sjukdomar på flera sätt. För närvarande, vacciner riktar sig mot enskilda stammar av ett virus. Sandia's Safe Genes project is working toward solutions that target all the strains of a virus, as well as finding ways to repair infected host and human cells.

"It's cumbersome to create new treatments for each and every bug, and not feasible for quickly responding to emerging threats. One treatment for each and every strain that appears, as well as all the related viruses – it's a much better strategy, " Negrete said. "It's like the leap from eliminating one letter with a pencil eraser to hitting control-A and deleting an entire paragraph."