DNA-Reparaturmechanismus beeinflusst Genom-Editierung
Die Editierung unserer Gene bietet für Wissenschaft und Medizin enormes Potenzial. Mittels Prime Editing, einer Weiterentwicklung der CRISPR/Cas-Methode, können Veränderung der DNA mit höchster Präzision vorgenommen werden. Doch die Methode ist komplex und wenig effizient. Die Forschungsgruppe von Joanna Loizou am CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften sowie der Medizinischen Universität Wien konnte nun zeigen, dass ein Reparaturprozess der DNA eine wesentliche Rolle beim Prime Editing spielt.
Seit der Erfindung von CRISPR/Cas9, auch bekannt als „Genschere“, arbeiten WissenschafterInnen weltweit an der Verbesserung der revolutionären Technik zur Veränderung von DNA, die Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna 2019 den Nobelpreis brachte. Die Methode ermöglicht die tiefgehende Erforschung des menschlichen Genoms und eröffnet enorme Potenziale für die Behandlung genetischer Erkrankungen. Da die CRISPR/Cas9 Technologie noch ungenau und wenig vorhersehbar war, arbeiten WissenschafterInnen weltweit heute an Weiterentwicklungen, die das präzise Vornehmen von Veränderungen an der DNA ermöglichen. Eine aktuelle Studie der Forschungsgruppe von Joanna Loizou, Principal Investigator und Gruppenleiterin am Zentrum für Krebsforschung der MedUni Wien sowie CeMM Adjunct Principal Investigator, widmete sich der Frage, wie Prime Editing, eine Technik, die höhere Zielgenauigkeit beim Vornehmen von DNA-Veränderungen verspricht, noch präziser werden kann.
Deaktivierung von „Mismatch Repair“
Prime Editing ist ein leistungsfähiges Genom-Engineering-Werkzeug, das den Austausch, das Einfügen und Entfernen von DNA ermöglicht. Die Effizienz der Methode ist jedoch bis dato sehr unterschiedlich und hängt nicht nur von der anvisierten Genomregion, sondern auch vom genetischen Hintergrund der editierten Zelle ab. Die StudienautorInnen Joana Ferreira da Silva, CeMM PhD Studentin, und Gonçalo Oliveira vom Zentrum für Krebsforschung der MedUni Wien, untersuchten, welche Faktoren den Erfolg des Prime Editings beeinflussen und nahmen dabei die zelleigenen DNA-Reparaturprozesse unter die Lupe. Bei der Genom-Editierung spielen diese zellulären Mechanismen eine wesentliche Rolle.
Die WissenschafterInnen erklären: „Je nach Art der DNA-Schäden, verfügt eine Zelle über unterschiedliche zelluläre Reparaturmechanismen. Um herauszufinden, welche davon beim Prime Editing aktiv werden und relevant sind, haben wir ein gezieltes genetisches Screening von DNA-Reparaturfaktoren durchgeführt, das alle bekannten Reparaturpfade abdeckt. Nur so können wir herausfinden, welchen Einfluss diese Reparaturmechanismen auf unsere Editierung haben.“
Studienleiterin Joanna Loizou ergänzt: „Unsere Ergebnisse zeigen, dass der DNA-Reparaturmechanismus „Mismatch Repair“, der bei Basenfehlanpassungen im Genom aktiv wird, das Ergebnis des Prime Editings beeinflusst. Je nach Zelllinie, Art und Stelle der Bearbeitung, die wir durchführen möchten, können wir die Effizienz des Prime Editings durch die Ausschaltung von ‚Mismatch Repair‘ um das 2- bis 17-fache erhöhen.“ Im Rahmen der Studie zeigte sich an der Stelle der Genom-Editierung eine Anhäufung von MLH1 und MSH2, Proteine, die am Prozess Mismatch Repair beteiligt und jeweils für das Erkennen und Entfernen der falschen Base verantwortlich sind. Die Ergebnisse zeigen, dass die Aktivität der Mismatch Repair-Proteine die Effizienz von Prime Editing hemmt. „Indem wir diesen Mechanismus einer Zelle entfernen, zeigen wir, dass die Effizienz von Prime Editing erhöht und seine Genauigkeit verbessert werden kann“, so Loizou. Die neu gewonnenen Erkenntnisse bringen die Technologie des Prime Editings einen weiteren Schritt näher an die klinische Anwendung zur Verbesserung von Therapien.
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Joanna Loizou ist Zellbiologin und widmet sich insbesondere Untersuchung der Reaktionswege mit denen Zellen auf DNA-Schäden reagieren, um das Genom zu schützen und Krankheiten zu verhindern. Schon während ihres PhD Studiums in Biochemie an der University of Manchester, und ihrer Zeit als Postdoktorandin der International Agency for Research on Cancer (IARC) der World Health Organisation (WHO) sowie am London Research Institute (LRI) entstanden wichtige Beiträge zu diesem Forschungsgebiet. 2011 startete sie als Principal Investigator ihre eigene Forschungsgruppe am CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Seit Februar 2020 ist die Zellbiologin Gruppenleiterin am Institut für Krebsforschung der MedUni Wien und Mitglied des Comprehensive Cancer Center (CCC) der MedUni Wien und des AKH Wien. Am CeMM ist sie seither Adjunct Principal Investigator. 2020 erhielt sie einen ERC Synergy Grant.
Das CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften ist eine internationale, unabhängige und interdisziplinäre Forschungseinrichtung für molekulare Medizin unter wissenschaftlicher Leitung von Giulio Superti-Furga. Das CeMM orientiert sich an den medizinischen Erfordernissen und integriert Grundlagenforschung sowie klinische Expertise um innovative diagnostische und therapeutische Ansätze für eine Präzisionsmedizin zu entwickeln. Die Forschungsschwerpunkte sind Krebs, Entzündungen, Stoffwechsel- und Immunstörungen, sowie seltene Erkrankungen. Das Forschungsgebäude des Institutes befindet sich am Campus der Medizinischen Universität und des Allgemeinen Krankenhauses Wien. http://www.cemm.at
Die Medizinische Universität Wien (MedUni Wien) ist eine der traditionsreichsten medizinischen Ausbildungs- und Forschungsstätten Europas. Mit rund 8.000 Studierenden ist sie heute die größte medizinische Ausbildungsstätte im deutschsprachigen Raum. Mit 6.000 MitarbeiterInnen, 30 Universitätskliniken und zwei klinischen Instituten, 12 medizintheoretischen Zentren und zahlreichen hochspezialisierten Laboratorien zählt sie auch zu den bedeutendsten Spitzenforschungsinstitutionen Europas im biomedizinischen Bereich. http://www.meduniwien.ac.at
Originalpublikation:
Ferreira da Silva, J., Oliveira, G.P., Arasa-Verge, E.A. et al. Prime editing efficiency and fidelity are enhanced in the absence of mismatch repair. Nat Commun 13, 760 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-28442-1
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