Ny teknik gennemsøger genomet for gener, der bekæmper sygdom

Ved hjælp af en modificeret version af CRISPR-genomredigeringssystemet, MIT-forskere har udviklet en ny måde at screene for gener, der beskytter mod specifikke sygdomme.

CRISPR bruges normalt til at redigere eller slette gener fra levende celler. Imidlertid, MIT-teamet tilpassede det til tilfældigt at tænde eller slukke for forskellige gensæt på tværs af store populationer af celler, giver forskerne mulighed for at identificere gener, der beskytter celler mod et protein forbundet med Parkinsons sygdom.

Den nye teknologi, beskrevet i journalen Molekylær celle , tilbyder en ny måde at søge lægemiddelmål for mange sygdomme på, ikke kun Parkinsons, siger Timothy Lu, en MIT-lektor i elektroteknik og datalogi og i biologisk teknik.

"State of the art lige nu målretter mod to eller tre gener samtidigt og ser derefter på virkningerne, men vi tror måske, at de gensæt, der skal moduleres for at adressere nogle af disse sygdomme, faktisk er bredere end som så, " siger Lu, hvem er den ledende forfatter af undersøgelsen.

Avisens hovedforfattere er postdoc Ying-Chou Chen og kandidatstuderende Fahim Farzadfard.

Slå gener til eller fra

CRISPR-genomredigeringssystemet består af et DNA-skærende enzym kaldet Cas9 og korte RNA-guide-strenge, der er målrettet mod bestemte sekvenser af genomet, fortæller Cas9, hvor de skal skære. Ved hjælp af denne proces, forskere kan lave målrettede mutationer i genomerne af levende dyr, enten slette gener eller indsætte nye.

I den nye undersøgelse, MIT-teamet deaktiverede Cas9's skæreevne og konstruerede proteinet, så det efter binding til et målsted, det rekrutterer transkriptionsfaktorer (proteiner, der er nødvendige for at tænde gener).

Ved at levere denne version af Cas9 sammen med guide-RNA-strengen ind i enkelte celler, forskerne kan målrette mod én genetisk sekvens pr. celle. Hvert guide -RNA kan ramme et enkelt gen eller flere gener, afhængigt af den særlige vejledningssekvens. Dette giver forskere mulighed for tilfældigt at screene hele genomet for gener, der påvirker celleoverlevelse.

"Det, vi besluttede at gøre, var at tage en helt upartisk tilgang, hvor i stedet for at målrette mod individuelle gener af interesse, vi ville udtrykke randomiserede guider inde i cellen, " siger Lu. "Ved at bruge den tilgang, kan vi screene for guide-RNA'er, der har usædvanligt stærke beskyttende aktiviteter i en model af neurodegenerativ sygdom."

Forskerne implementerede denne teknologi i gærceller, der er genetisk manipuleret til at overproducere et protein forbundet med Parkinsons sygdom, kendt som alfa-synuklein. Dette protein, som danner klumper i hjernen på Parkinsons patienter, er normalt giftig for gærceller.

Ved at bruge denne skærm, MIT-teamet identificerede en guide RNA-streng, der havde en meget kraftig effekt, holde celler i live meget mere effektivt end nogen af ​​de individuelle gener, der tidligere har vist sig at beskytte denne type gærceller.

Yderligere genetisk screening afslørede, at mange af generne tændt af denne guide-RNA-streng er chaperoneproteiner, som hjælper andre proteiner med at folde sig i den rigtige form. Forskerne antager, at disse chaperoneproteiner kan hjælpe med den korrekte foldning af alfa-synuclein, hvilket kunne forhindre det i at danne klumper.

Andre gener aktiveret af guide-RNA'et koder for mitokondrielle proteiner, der hjælper celler med at regulere deres energimetabolisme, og handel med proteiner, der er involveret i pakning og transport af andre proteiner. Forskerne undersøger nu, om guide-RNA'et tænder for hvert af disse gener individuelt, eller om det aktiverer et eller flere regulatoriske gener, som derefter tænder for de andre.

Beskyttende virkninger

Når forskerne identificerede disse gener i gær, de testede de menneskelige ækvivalenter i menneskelige neuroner, dyrket i en laboratoriefad, der også overproducerer alfa synuclein. Disse menneskelige gener var også beskyttende mod alfa-synuclein-induceret død, tyder på, at de kunne være værd at teste som genterapibehandlinger for Parkinsons sygdom, siger Lu.

Wilson Wong, en assisterende professor i biomedicinsk teknik ved Boston University, siger undersøgelsen fremhæver de forskellige applikationer, som CRISPR/Cas9 kan bruges til.

"Det er også interessant at se, at de kunne bruge gær som udgangspunkt for en genetisk screening og identificere guide-RNA'er, der er beskyttende over for alfa-synuclein toksicitet i pattedyrsceller, "siger Wong, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Dette arbejde kunne bane vejen for at bruge randomiserede guide-RNA'er og gær til at forhøre kompleks menneskelig biologi."

Lus laboratorium bruger nu denne tilgang til at screene for gener relateret til andre lidelser, og forskerne har allerede identificeret nogle gener, der ser ud til at beskytte mod visse virkninger af aldring.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.