Neue Genom-Editierungswerkzeuge: Prime Editing und SeekRNA

Prime Editing und SeekRNA läuten eine neue Ära in der Genom-Editierung ein und übertreffen möglicherweise die weit verbreitete CRISPR-Cas9-Technologie in Bezug auf Präzision und Flexibilität. Diese fortschrittlichen Werkzeuge bieten reduzierte Off-Target-Effekte und minimale Nebenwirkungen im Vergleich zu Methoden, die auf Doppelstrangbrüchen basieren, und ermöglichen hochspezifische DNA-Sequenzinsertionen oder -deletionen.

Prime Editing, entwickelt von David Lius Team am Broad Institute, verwendet ein modifiziertes Cas9-Enzym, das so konstruiert ist, dass es nur einen einzelnen DNA-Strang schneidet (eine "Nickase"). Es arbeitet in Verbindung mit einer Prime-Editing-Guide-RNA (pegRNA), die den Editor sowohl zur Zielstelle führt als auch eine RNA-Vorlage für die gewünschte Editierung enthält. Ein Reverse-Transkriptase-Enzym, das mit der Nickase verschmolzen ist, synthetisiert dann den neuen DNA-Strang direkt aus der RNA-Vorlage und integriert ihn an der "genickten" Stelle. Dieser "Such-und-Ersetz"-Mechanismus reduziert das Risiko unerwünschter Mutationen, die oft mit Doppelstrangbrüchen (DSBs) verbunden sind, erheblich und bietet eine höhere Präzision bei der gezielten Ansprache spezifischer genetischer Sequenzen im Vergleich zum herkömmlichen CRISPR-Cas9, das typischerweise DSBs erzeugt, die durch potenziell fehleranfällige zelluläre Pfade repariert werden.

• Vielseitigkeit: Prime Editing hat das theoretische Potenzial, etwa 89 % der bekannten pathogenen menschlichen genetischen Varianten zu korrigieren, basierend auf seiner Fähigkeit, verschiedene Arten von Editierungen wie Punktmutationen und kleine Insertionen/Deletionen durchzuführen.
• Erfolgreiche Tests: Die Technologie wurde erfolgreich in menschlichen und Maus-Zellen demonstriert und korrigierte Mutationen, die für Krankheiten wie Sichelzellenanämie und Tay-Sachs-Krankheit in zellulären Modellen verantwortlich sind.

SeekRNA, entwickelt von Forschern, darunter auch an der Universität Sydney, verwendet einen programmierbaren RNA-Strang, um eine andere Art von molekularer Maschine für die Insertion genetischer Sequenzen zu führen. Es verwendet oft ein kompaktes Protein (wie IscB, ein Vorfahre von Cas9), das mit einer reversen Transkriptase verschmolzen ist. Geleitet von der RNA identifiziert dieser Komplex die DNA-Zielstelle und synthetisiert und integriert direkt eine neue DNA-Sequenz, die von einem RNA-Molekül als Vorlage dient, oft unter Verwendung eines Transposase-ähnlichen Mechanismus. Dieser Ansatz zielt darauf ab, den Editierungsprozess zu vereinfachen und möglicherweise Fehler im Vergleich zu CRISPR zu reduzieren, da er als relativ eigenständige Einheit für die gezielte DNA-Insertion fungieren kann, ohne DSBs zu induzieren.

• Effiziente Verabreichung: SeekRNA-Systeme können relativ kompakt sein (z. B. unter Verwendung des kleineren IscB-Proteins im Vergleich zu Cas9 und einer Guide-/Template-RNA), was möglicherweise ihre Verabreichung in Zellen unter Verwendung biologischer nanoskaliger Träger wie Vesikel oder Lipid-Nanopartikel erleichtert.
• Vielversprechende Ergebnisse: Die Technologie hat eine erfolgreiche gezielte DNA-Insertion in Bakterien gezeigt, wobei die laufende Forschung darauf abzielt, sie in komplexeren eukaryotischen Zellen, einschließlich menschlicher Zellen, anzuwenden.

Während CRISPR-Cas9 die Gentechnik revolutioniert hat, weist es Einschränkungen auf, vor allem das Risiko von Off-Target-Mutationen und unbeabsichtigten Insertionen oder Deletionen (Indels) an der Zielstelle, die aus der Reparatur von Doppelstrang-DNA-Brüchen resultieren. Prime Editing und SeekRNA zielen darauf ab, diese Probleme zu umgehen. Prime Editing minimiert das Risiko, indem es nur einen DNA-Strang "nickt". SeekRNA verwendet einen anderen Mechanismus, der RNA-gesteuerte reverse Transkription und Integration beinhaltet und ebenfalls die Notwendigkeit von DSBs für gezielte Insertionen vermeidet. Diese Vermeidung von DSBs ist entscheidend, da die DSB-Reparatur, insbesondere über den nicht-homologen Endverknüpfungs- (NHEJ-) Pfad, unvorhersehbare und potenziell schädliche Mutationen oder größere chromosomale Veränderungen hervorrufen kann.

Diese Fortschritte in Bezug auf Präzision, Flexibilität und Sicherheit positionieren Prime Editing und SeekRNA als höchst vielversprechende Alternativen oder Ergänzungen zu CRISPR-Cas9. Sie bergen Potenzial für ein breites Anwendungsspektrum in der Medizin (Entwicklung von Therapien für genetische Erkrankungen), der Landwirtschaft (Pflanzenverbesserung) und der biotechnologischen Forschung. Obwohl viele Anwendungen, insbesondere therapeutische, im Vergleich zu einigen CRISPR-basierten Therapien, die sich bereits in klinischen Studien befinden, in früheren Entwicklungsstadien sind, eröffnen diese neueren Werkzeuge aufregende Möglichkeiten für die Behandlung genetischer Krankheiten und die Weiterentwicklung der Forschung in verschiedenen Bereichen, indem sie effizientere und zuverlässigere genetische Modifikationen mit potenziell weniger unbeabsichtigten Folgen ermöglichen.