EMBL spinnt die „Dornröschen“-Transposase

Neue Möglichkeiten für die Gentherapie

06.11.2019 - Deutschland

Wissenschaftler des EMBL haben eine neue Art der Sleeping-Beauty-Transposase entwickelt. Diese hat stark verbesserte biochemische Eigenschaften, darunter eine verbesserte Stabilität und intrinsisch zelldurchdringende Eigenschaften. Das Enzym kann für die Genforschung von Stammzellen und zur Therapie von T-Zellen genutzt werden. Deshalb ist es in der regenerativen Medizin und der Krebsimmuntherapie äußerst wertvoll. Die zugrunde liegenden gentechnischen Verfahren werden in Zukunft auch die Kosten senken und die Sicherheit der Genomveränderung erhöhen.

Dem Team, mit Forschern des Europäischen Laboratoriums für Molekularbiologie des Universitätsklinikums Würzburg und des Paul-Ehrlich-Instituts gelang es, eine neue Variante der Sleeping-Beauty-Transposase mit stark verbesserten biochemischen Eigenschaften zu entwickeln, welche die direkte Verwendung des Transposase-Proteins bei Genomveränderung ermöglicht. "Das von uns entwickelte Protein kann in Säugetierzellen übertragen werden und bleibt dabei voll funktionsfähig, so dass bei Bedarf effiziente und stabile Genomveränderungen in den Zielzellen möglich sind,“ erklärte Orsolya Barabas, Gruppenleiterin des EMBL Heidelberg.

Die Übertragung und die effiziente Gentechnik können bei verschiedenen Zelltypen eingesetzt werden, einschließlich menschlicher Stammzellen und T-Lymphozyten. Letztere können genetisch so modifiziert werden, um ein künstlich chimären Antigen-Rezeptor (CAR) zur Verwendung in der Krebsimmuntherapie herzustellen. Die neue Variante der Sleeping-Beauty-Transposase, die von den Wissenschaftlern entwickelt wurde, ermöglicht nicht nur eine direkte Proteinabgabe, sondern dringt auch selbstständig in Zellen ein. Die letzte genannte Eigenschaft war für die neue Variante nicht geplant und wurde nur während einer Studie entdeckt. Dies war eine angenehme Überraschung, daes das Erste seiner Art mit dieser Eigenschaft ist. „All diese Eigenschaften ebnen neue Wege für die Produktion von CAR-T-Zellen und anderer Gentherapien,“ erklärte Irma Querques, Doktorandin beim EMBL und führende Autorin der Studie. Allein dies ist ein Durchbruch, verglichen mit anderen, bereits bestehenden Varianten der Sleeping-Beauty-Transposase.

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Sleeping Beauty

Das Sleeping-Beauty-Transposonsystem beinhaltet eine Transposase und ein Transposon, die in spezifischen DNA-Sequenzen in die Gene von Tieren injiziert werden.

Die Transposase kann entweder im Transposon verschlüsselt sein oder von einer anderen Quelle bereitgestellt werden. In diesem Fall wird das Transposon ein abhängiges Element. Abhängige Transposone sind als genetische Werkzeuge am nützlichsten, denn nach ihrer Einbindung, können sie nicht mehr unabhängig existieren und sich von selbst wieder einfügen. Alle DNA Transposone, die in menschlichen Genomen oder in Genomen von Säugetieren identifiziert wurden, sind abhängig, selbst wenn sie Transposase - Gene enthalten. Diese Gene sind nicht funktionsfähig und nicht in der Lage, einen Transposase zu erzeugen, die das Transposon mobilisieren kann.

Die Sleeping-Beauty-Transposase wurde von inaktiven Kopien aus Genomen von Fischen 1997 von Zoltan Ivics und seinen Kollegen entnommen. Damit wurde das erste Transposon - Werkzeug entwickelt, dass effektiv in Wirbeltierzellen arbeitete. Seitdem wurde es für zahlreiche Anwendungen in der Genetik, insbesondere der Gentherapie, verwendet.

Eine direkte Anwendung

Während sich EMBL - Forscher im Allgemeinen auf die Grundlagenforschung konzentrieren, resultieren diese Ergebnisse direkt in eine medizinische Anwendung. „Die neue Transposase und die von uns entwickelten gentechnischen Verfahren sind im Direkteinsatz bei der therapeutischen Zelltechnik zu finden“, betont Michael Hudecek vom Universitätsklinikum Würzburg die Bedeutung der Ergebnisse. "Bereits in dieser ersten Studie demonstrieren wir die Nützlichkeit unserer Methode für die CAR-T-Zellproduktion und ihre Wirksamkeit in einem Versuchsmodell mit Mäusen." Nun werden Hudecek und seine Kollegen die Forschung mit der Transposase zur Verwendung bei menschlichen Patienten fortsetzen.

„Unsere Methode bietet weiterhin eine attraktive Anwendung in der Stammzellen-Technologie und ich bin sicher, dass sie in der regenerativen Medizin und der damit verbundenen Forschung Anwendung finden wird. Einer der wesentlichen Vorteile der neuartigen Technologie besteht darin, dass die Transposase in industriellem Maßstab pharmazeutisch hergestellt werden kann, wodurch die Sleeping-Beauty-Transposase für Unternehmen für künftige therapeutische Anwendungen noch attraktiver wird “, erklärt Zoltán Ivics vom Paul- Ehrlich-Institut.

Die Konstruktionsprinzipien der Transposase und der Protokolle, die von der EMBL-Gruppe entwickelt wurden, werden auch dazu beitragen, ähnliche Strategien für andere Transposon-Systeme zu entwickeln. Das Team ist neugierig, die Mechanismen hinter der zelldurchdringenden Eigenschaft der Sleeping-Beauty-Transposase weiter zu untersuchen und zu prüfen, ob diese Mechanismen auch auf andere Proteine übertragen werden können. "Die Verfügbarkeit unserer neuen Sleeping-Beauty-Variante erleichtert auch die Erforschung der molekularen Mechanismen, welche die rationale Gestaltung fortschrittlicherer Transposon-Werkzeuge fördern", fügt Cecilia Zuliani vom EMBL hinzu. Eine weitere führende Autorin dieser Arbeit.

Während dies weitere Arbeit erfordert, betont Barabas eine direkte Auswirkung: "Unser neues Verfahren zur Zellentwicklung wird vorerst zu einer Kostensenkung und - durch eine verbesserte Genauigkeit und Kontrolle der Methode - zu einer verbesserten Sicherheit medizinisch relevanter Genommodifikationen führen."