Neues KI-Tool erleichtert schnelles Gen-Editing

Genetik, Künstliche Intelligenz

M.A. Dirk de Pol, aktualisiert am 28. Januar 2023, Lesezeit: 8 Minuten

Durch die Aktivierung oder Deaktivierung von Genen könnte ein Programm der künstlichen Intelligenz die erste einfache Produktion von Zinkfingern ermöglichen, Proteinen, die zur Behandlung von Krankheiten verändert werden können. Zu diesem Ergebnis gelangt eine Studie, die in der Zeitschrift Nature Biology veröffentlicht wurde. Die Forscher der NYU Grossman School of Medicine und der University of Toronto, die das Tool entwickelt haben, glauben, dass es die Entwicklung von Gentherapien auf breiter Ebene beschleunigen wird.

Um was geht es in der Gen-Editing-Studie?

Krankheiten wie Mukoviszidose, Tay-Sachs-Krankheit und Sichelzellenanämie werden durch Fehler in der Reihenfolge der DNA-Buchstaben verursacht, die die Betriebsanweisungen für jede menschliche Zelle kodieren. In einigen Fällen können Wissenschaftler diese Fehler mit Hilfe von Gen-Editing-Techniken korrigieren, die diese Buchstaben neu anordnen.

Andere Erkrankungen werden nicht durch einen Fehler im Code selbst verursacht, sondern durch Probleme mit der Art und Weise, wie die zelluläre Maschinerie die DNA interpretiert (Epigenetik). Ein Gen, das die Rezeptur für ein bestimmtes Protein kodiert, arbeitet häufig mit Molekülen zusammen, die als Transkriptionsfaktoren bekannt sind und die Zelle anweisen, wie viel von diesem Protein zu produzieren ist. Über- oder unteraktive Gene tragen zu Diabetes, Krebs und neurologischen Störungen bei, wenn dieser Prozess aus dem Ruder läuft. Daher haben Wissenschaftler Methoden zur Wiederherstellung der normalen epigenetischen Aktivität erforscht.

Eine dieser Methoden ist das Zinkfinger-Editing, mit dem Gene verändert und reguliert werden können. Zinkfinger, eine der am häufigsten vorkommenden Proteinstrukturen im menschlichen Körper, können die DNA-Reparatur steuern, indem sie scherenartige Enzyme ergreifen und sie anweisen, fehlerhafte Codesegmente herauszuschneiden.

Ähnlich wie Transkriptionsfaktoren können Zinkfinger an Transkriptionsfaktoren binden und sie zu einem zu regulierenden Genabschnitt ziehen. Durch die Änderung dieser Anweisungen können Gentechniker die Aktivität jedes Gens anpassen. Es ist jedoch eine Herausforderung, künstliche Zinkfinger für eine bestimmte Funktion zu entwickeln. Da sich diese Proteine in komplexen Gruppen an die DNA anlagern, müssen die Forscher in der Lage sein, aus einer unendlichen Anzahl möglicher Kombinationen zu bestimmen, wie jeder Zinkfinger mit seinem Nachbarn für jede gewünschte genetische Veränderung interagiert.

Was ist das Ergebnis der Studie?

Die neue ZFDesign-Technologie, die von den Autoren der Studie entwickelt wurde, nutzt künstliche Intelligenz (KI), um diese Interaktionen zu modellieren und zu entwerfen und überwindet so dieses Hindernis. Das Modell basiert auf den Daten, die die Forscher bei ihrem Laborscreening von fast 50 Milliarden potenziellen Zinkfinger-DNA-Interaktionen gewonnen haben. Am 26. Januar wird ein Bericht über das Tool in der Zeitschrift Nature Biotechnology online veröffentlicht.

Der Hauptautor der Studie, David Ichikawa, PhD, ein ehemaliger Doktorand an der NYU Langone Health, erklärt: „Unser Programm kann die richtige Gruppierung von Zinkfingern für jede Modifikation identifizieren, was die Genbearbeitung schneller als je zuvor macht.“

Ichikawa erklärt, dass das Zinkfinger-Editing eine potenziell sicherere Alternative zu CRISPR darstellt, einer Schlüsseltechnologie für das Gen-Editing, deren Anwendungsmöglichkeiten von der Suche nach neuen Wegen zur Beseitigung von Krebszellen bis hin zur Entwicklung nahrhafterer Nutzpflanzen reichen. CRISPR steht für clustered regularly interspaced short palindromic repeat und basiert auf bakteriellen Proteinen, die mit dem genetischen Code interagieren, im Gegensatz zu Zinkfingern, die ausschließlich vom Menschen stammen. Diese „fremden“ Proteine können das Immunsystem eines Patienten aktivieren, das sie dann wie jede andere Infektion angreift, was zu gefährlichen Entzündungen führen kann.

Die Zinkfinger-Werkzeuge stellen nicht nur ein geringeres Risiko für das Immunsystem dar, sondern können aufgrund ihrer geringen Größe auch flexiblere Gentherapietechniken als CRISPR bieten, da sie mehr Möglichkeiten bieten, die Werkzeuge an die entsprechenden Zellen des Patienten zu bringen.

„Durch die Beschleunigung des Designs von Zink-Fingern und die Verringerung ihrer Größe ebnet unser System den Weg für die Verwendung dieser Proteine zur gleichzeitigen Kontrolle mehrerer Gene“, erklärt Marcus Noyes, PhD, der leitende Autor der Studie. Dieser Ansatz könnte in Zukunft helfen, Krankheiten zu behandeln, die mehrere genetische Ursachen haben, wie z. B. Herzkrankheiten, Fettleibigkeit und viele Fälle von Autismus.

Noyes und sein Team verwendeten einen maßgeschneiderten Zinkfinger, um die kodierende Sequenz eines Gens in menschlichen Zellen zu unterbrechen, um den KI-Designcode des Computers zu testen. Darüber hinaus konstruierten sie mehrere Zinkfinger, die Transkriptionsfaktoren so umprogrammierten, dass sie in der Nähe einer Zielgensequenz binden und deren Expression erhöhen oder verringern, was zeigt, dass ihre Technologie für epigenetische Veränderungen verwendet werden kann.

Noyes, Assistenzprofessor in der Abteilung für Biochemie und molekulare Pharmakologie an der NYU Langone, gibt zu bedenken, dass Zinkfinger zwar vielversprechend sind, aber schwer zu kontrollieren sein können. Da sie nicht immer spezifisch für ein einzelnes Gen sind, können bestimmte Kombinationen DNA-Sequenzen außerhalb des vorgesehenen Ziels beeinflussen, was zu unbeabsichtigten Veränderungen des genetischen Codes führt.

Nächste Schritte

Noyes erklärt, dass das Team beabsichtigt, sein KI-Programm so zu verfeinern, dass es präzisere Zinkfinger-Gruppierungen erstellen kann, die nur die gewünschten Änderungen auslösen. Noyes ist auch Mitglied des Instituts für Systemgenetik an der NYU Langone.

Hintergrund: Was ist CRISPR-Gene Editing?

CRISPR-Gene Editing ist eine gentechnische Technik in der Molekularbiologie, mit der das Genom lebender Organismen verändert werden kann. Sie basiert auf einer vereinfachten Version des antiviralen Abwehrsystems CRISPR-Cas9, das in Bakterien vorkommt. Indem die Cas9-Nuklease zusammen mit einer synthetischen Leit-RNA (gRNA) in eine Zelle eingebracht wird, können bestehende Gene entfernt und/oder neue Gene in vivo hinzugefügt werden.

Die Technik gilt als äußerst wichtig für die Biotechnologie und die Medizin, da sie eine präzise, kostengünstige und einfache Bearbeitung von Genomen in vivo ermöglicht. Sie kann zur Herstellung neuer Arzneimittel, landwirtschaftlicher Produkte und gentechnisch veränderter Organismen sowie zur Bekämpfung von Krankheitserregern und Insekten eingesetzt werden. Auch bei der Behandlung von genetischen Erbkrankheiten und somatischen Krankheiten, die auf Mutationen beruhen, wie z. B. Krebs, hat sie Potenzial. Ihre Verwendung bei der genetischen Veränderung der menschlichen Keimbahn ist jedoch höchst umstritten. Der Nobelpreis für Chemie 2020 wurde Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier für die Entwicklung dieser Technik verliehen. [2]

Die Cas9-Nuklease, die als genetische Schere fungiert, öffnet beide Stränge der anvisierten DNA-Sequenz, um die Veränderung über eine von zwei Methoden einzuführen. Herkömmliche gezielte Genom-Editing-Ansätze stützen sich auf die homologiegeleitete Reparatur (HDR), um Knock-in-Mutationen zu ermöglichen. Auf diese Weise lassen sich gezielt DNA-Schäden und Reparaturen einführen. Durch den Einbau von exogener DNA, die als Reparaturvorlage dient, nutzt HDR ähnliche DNA-Sequenzen, um die Reparatur des Bruchs zu steuern. [2] Diese Technik beruht auf dem periodischen und zufälligen Auftreten von DNA-Schäden an der Zielstelle, um die Reparatur einzuleiten. Die Reparatur des Doppelstrangbruchs durch nicht-homologes Endjoining (NHEJ) oder POLQ/polymerase theta-vermitteltes Endjoining verursacht CRISPR-Cas9-induzierte Knock-out-Mutationen (TMEJ). Häufig führen diese Endverbindungswege zu zufälligen Deletionen oder Insertionen an der Reparaturstelle, die die Genfunktionalität stören oder verändern können. Daher ermöglicht das CRISPR-Cas9-Genom-Engineering den Forschern eine gezielte zufällige Genunterbrechung. Aus diesem Grund ist die Präzision des Genome Editing ein wichtiges Anliegen. Genome Editing führt zu Veränderungen, die nicht rückgängig zu machen sind.

Seit den 1980er Jahren ist Genom-Editing in eukaryontischen Zellen mit verschiedenen Techniken möglich, die sich jedoch als ineffizient und unpraktisch für eine groß angelegte Umsetzung erwiesen haben. Mit der Entdeckung von CRISPR und dem Nuklease-Molekül Cas9 ist nun hocheffizientes und selektives Gene Editing möglich. Cas9, ein aus dem Bakterium Streptococcus pyogenes stammendes Protein, hat die gezielte Genomveränderung in eukaryontischen Zellen erleichtert, indem es eine zuverlässige Methode zur Erzeugung eines Bruchs an einer bestimmten Stelle bietet, die durch die crRNA- und tracrRNA-Führungsstränge gekennzeichnet ist. Die Leichtigkeit, mit der Forscher Cas9 und Template-RNA einfügen können, um Punktmutationen an bestimmten Stellen auszuschalten oder zu verursachen, hat sich als unverzichtbar für die schnelle und effiziente Kartierung genomischer Modelle und biologischer Prozesse erwiesen, die mit verschiedenen Genen in einer Vielzahl eukaryontischer Organismen verbunden sind. Es wurden Cas9-Nukleasevarianten entwickelt, die die Off-Target-Aktivität deutlich reduzieren. [2]

Es gibt zahlreiche potenzielle Anwendungen für CRISPR-Cas9-Genom-Editierungstechniken, einschließlich Medizin und Landwirtschaft. Die Verwendung des CRISPR-Cas9-gRNA-Komplexes für das Genome Editing wurde von der AAAS zum Durchbruch des Jahres 2015 gewählt. Es wurden Bedenken hinsichtlich der möglichen Verwendung von CRISPR für das Keimbahn-Editing geäußert, insbesondere bei menschlichen Embryonen. [2]

Quellen

  1. David M. Ichikawa, Osama Abdin, Nader Alerasool, Manjunatha Kogenaru, April L. Mueller, Han Wen, David O. Giganti, Gregory W. Goldberg, Samantha Adams, Jeffrey M. Spencer, Rozita Razavi, Satra Nim, Hong Zheng, Courtney Gionco, Finnegan T. Clark, Alexey Strokach, Timothy R. Hughes, Timothee Lionnet, Mikko Taipale, Philip M. Kim, Marcus B. Noyes. A universal deep-learning model for zinc finger design enables transcription factor reprogramming. Nature Biotechnology, 2023; DOI: 10.1038/s41587-022-01624-4
  2. CRISPR gene editing. Wikipedia 2023.

Der Beitrag beschäftigt sich mit einem medizinischen Thema, einem Gesundheitsthema oder einem oder mehreren Krankheitsbildern. Dieser Artikel dient nicht der Selbst-Diagnose und ersetzt auch keine Diagnose durch einen Arzt oder Facharzt. Bitte lesen und beachten Sie hier auch den Hinweis zu Gesundheitsthemen!

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