Prime editing: DNA nauwkeurig herschrijven zonder het te knippen
Prime editing is een geavanceerde vorm van gentechnologie waarmee wetenschappers de letters van het DNA in een levende cel kunnen veranderen, zonder dat daarbij de dubbele DNA-streng volledig wordt doorgeknipt. Je kunt het vergelijken met de "zoek-en-vervang"-functie in een tekstverwerker: in plaats van een hele zin te verwijderen en opnieuw te typen, verandert het systeem alleen het foutieve woord, terwijl de rest van de tekst intact blijft. Bij DNA gaat het dan om het corrigeren van een of enkele van de miljarden "letters" (nucleotiden: A, C, T en G) waaruit het erfelijk materiaal bestaat.
De techniek is in 2019 gepubliceerd door een onderzoeksgroep onder leiding van scheikundige David Liu, verbonden aan het Broad Institute van MIT en Harvard in de Verenigde Staten. Prime editing bouwt voort op CRISPR-Cas9, het bekende "moleculaire schaartje" waarmee sinds 2012 DNA kan worden geknipt op een gewenste plek. Waar klassieke CRISPR-Cas9 vaak leidt tot ongecontroleerde reparaties door de cel zelf, belooft prime editing veel preciezere, voorspelbare aanpassingen. Voor mensen met een erfelijke ziekte die wordt veroorzaakt door één enkele foutieve letter in hun DNA, zoals sikkelcelziekte, is dat in potentie een groot verschil.
Wat is het precies?
Prime editing maakt gebruik van een aangepaste versie van het Cas9-eiwit, de "schaar" uit het CRISPR-systeem. Normaal knipt Cas9 beide strengen van de DNA-dubbele helix door. Bij prime editing is Cas9 zo veranderd dat het slechts één van de twee strengen inknipt (een zogeheten "nickase", van het Engelse nick, een kleine insnijding). Dat is al een eerste veiligheidsvoordeel: een enkele insnijding is voor de cel veel makkelijker en foutlozer te herstellen dan een volledige breuk.
Aan dit aangepaste Cas9-eiwit is een tweede onderdeel vastgeknoopt: een enzym dat reverse transcriptase heet. Dit enzym, oorspronkelijk afkomstig uit virussen zoals hiv, kan RNA aflezen en op basis daarvan nieuw DNA aanmaken. Dat is de omgekeerde volgorde van wat in cellen normaal gebeurt, waar DNA wordt afgelezen om RNA te maken (vandaar de term "reverse").
De sturing van dit hele complex gebeurt door een speciaal ontworpen stukje RNA, de pegRNA (prime editing guide RNA). Dit molecuul heeft een dubbele functie: het ene deel wijst het Cas9-eiwit de weg naar de juiste plek in het DNA, net als bij gewone CRISPR. Het andere deel bevat de "nieuwe tekst": een sjabloon met de gewenste, gecorrigeerde DNA-volgorde.
Zodra Cas9 de streng heeft ingeknipt, gebruikt het reverse transcriptase-enzym het sjabloon in de pegRNA om een nieuw stukje DNA te synthetiseren dat direct aan de insnijding wordt vastgeplakt. De cel herkent dit nieuwe stukje vervolgens als de "echte" versie en verwerkt het in de rest van de streng. Op deze manier kunnen onderzoekers in theorie alle twaalf mogelijke lettervervangingen doorvoeren, en ook kleine stukjes DNA invoegen of verwijderen, zonder een donor-DNA-sjabloon van buitenaf en zonder dubbelstrengsbreuken.
Wat wil men ermee bereiken?
Het onderliggende doel van prime editing is hetzelfde als van gentherapie in bredere zin: erfelijke ziekten genezen of voorkomen door de onderliggende fout in het DNA rechtstreeks te herstellen, in plaats van alleen de symptomen te behandelen. Veel erfelijke aandoeningen, zoals taaislijmziekte (cystic fibrosis), sikkelcelziekte en sommige vormen van erfelijke blindheid, worden veroorzaakt door een fout op precies één plek in het genoom.
Klassieke CRISPR-Cas9 is voor dat soort correcties niet altijd geschikt. Het knippen van beide DNA-strengen leidt vaak tot kleine, onvoorspelbare invoegingen of verwijderingen op de knipplaats, omdat de cel de breuk repareert via een foutgevoelig herstelmechanisme. Voor het uitschakelen van een gen is dat prima, maar voor het exact herstellen van één letter is het te grofmazig en soms zelfs riskant, omdat onbedoelde mutaties kunnen ontstaan.
Prime editing is ontwikkeld om dit gat te dichten: een systeem dat de precisie heeft van een chirurgische ingreep, maar met de flexibiliteit om vrijwel elke gewenste DNA-verandering aan te brengen, van het corrigeren van één letter tot het invoegen of verwijderen van korte DNA-fragmenten. In het oorspronkelijke onderzoek claimden de ontwikkelaars dat de techniek in potentie tot 89 procent van de bekende ziekteverwekkende mutaties bij de mens zou kunnen corrigeren, al is dat een theoretische schatting op basis van het type mutatie, niet een bewijs dat het voor al die mutaties ook al werkt in de praktijk.
Voorbeelden uit de praktijk
Sinds de publicatie in 2019 is er wereldwijd veel laboratoriumonderzoek gedaan met prime editing, vooral nog in celkweek en in muizen. Enkele voorbeelden:
- In het oorspronkelijke Nature-artikel van 2019 correcteerde het team van David Liu onder andere de mutatie die sikkelcelziekte veroorzaakt en de mutatie die Tay-Sachs-ziekte veroorzaakt, in menselijke cellen in het laboratorium.
- Onderzoekers hebben prime editing gebruikt om in celmodellen de meest voorkomende mutatie te corrigeren die taaislijmziekte (cystic fibrosis) veroorzaakt, de zogeheten F508del-mutatie in het CFTR-gen.
- Latere varianten van de techniek, zoals twinPE (twin prime editing, gepresenteerd door hetzelfde Broad Institute-team in 2022), maken het mogelijk om grotere stukken DNA gericht te vervangen of zelfs hele genen in te voegen op een specifieke plek in het genoom, in combinatie met een systeem genaamd recombinase.
- Het bedrijf Prime Medicine, in 2019 mede opgericht door David Liu om de techniek naar de kliniek te brengen, ontwikkelt onder de naam PM359 een op prime editing gebaseerde behandeling voor chronische granulomateuze ziekte (CGD), een zeldzame, ernstige afweerstoornis. Dit programma is een van de eerste prime-editing-behandelingen die de stap richting klinisch onderzoek bij mensen heeft gezet.
- Diverse academische groepen, waaronder in China en Europa, publiceren regelmatig verbeterde versies van het pegRNA-ontwerp en het Cas9-eiwit om de efficiëntie te verhogen, bijvoorbeeld voor toepassing in plantenveredeling naast menselijke gentherapie.
Hoe ver is de techniek?
Prime editing bevindt zich grotendeels nog in de onderzoeksfase. De eerste jaren na de publicatie in 2019 gingen vooral over het verbeteren van de efficiëntie: de allereerste versie (PE1) werkte in veel celtypen maar relatief inefficiënt, en opeenvolgende verbeteringen (aangeduid met namen als PE2, PE3 en later PEmax) verhoogden het percentage cellen waarin de gewenste verandering daadwerkelijk werd doorgevoerd.
Een belangrijke technische horde is de omvang van het prime-editing-complex. Het gecombineerde Cas9-reverse transcriptase-eiwit is groot, wat het lastig maakt om het compact genoeg te verpakken in de virale vectoren (meestal AAV, adeno-geassocieerd virus) die worden gebruikt om gentherapie het lichaam in te brengen. Onderzoekers werken aan oplossingen, zoals het opsplitsen van het eiwit in twee delen die pas in de cel weer worden samengevoegd.
Daarnaast blijft de efficiëntie sterk afhankelijk van het celtype en de precieze plek in het genoom: in sommige cellen en op sommige locaties werkt prime editing goed, in andere veel minder. Onbedoelde effecten, zoals kleine invoegingen of verwijderingen op de doelplek zelf, komen minder vaak voor dan bij klassieke CRISPR-Cas9, maar zijn niet volledig uitgesloten. Grootschalig, langdurig vervolgonderzoek naar de veiligheid bij mensen ontbreekt nog grotendeels, simpelweg omdat de eerste klinische toepassingen pas net beginnen.
Kortom: het principe is overtuigend aangetoond in het laboratorium en in diermodellen, maar de stap naar goedgekeurde, op grote schaal toegepaste behandelingen bij mensen is nog niet gezet. Vergelijk het met een veelbelovend prototype dat nog uitgebreid getest en geoptimaliseerd moet worden voordat het op de markt komt.
Wie werken eraan?
De belangrijkste bakermat van prime editing is het laboratorium van David Liu bij het Broad Institute van MIT en Harvard in de Verenigde Staten, waar de techniek is uitgevonden. Vanuit dit laboratorium is ook het biotechbedrijf Prime Medicine voortgekomen, dat zich volledig richt op het ontwikkelen van medische toepassingen van de techniek.
Daarnaast houden diverse academische centra in de Verenigde Staten, China en Europa zich bezig met verbeteringen en toepassingen van prime editing, onder meer in de landbouwwetenschap, waar de techniek wordt onderzocht om gewassen preciezer te veredelen zonder vreemd DNA toe te voegen. Ook grote spelers in de bredere CRISPR-industrie, zoals bedrijven die zich richten op zogeheten "base editing" (een verwante maar eenvoudigere techniek die slechts bepaalde lettertypen kan omzetten), volgen en financieren onderzoek naar prime editing als mogelijke aanvulling op hun eigen platformen.
Regelgevende instanties zoals de Amerikaanse FDA en, in Europa, het Europees Geneesmiddelenbureau (EMA) spelen een cruciale rol bij de verdere ontwikkeling: zij beoordelen of en onder welke voorwaarden klinische studies met prime editing bij mensen mogen worden uitgevoerd.