Jak molekularny skalpel: nowe narzędzie CRISPR szybko eliminuje niepożądane komórki

Naukowcy z Helmholtz-Institut für RNA-basierte Infektionsforschung, Akribion Therapeutics, University of Utah i Utah State University opracowali strategię CRISPR opartą na nukleazie Cas12a2, która pozwala selektywnie zabijać komórki na podstawie obecności określonego transkryptu RNA. Wyniki opublikowane w czasopiśmie Nature wskazują, że narzędzie może mieć zastosowanie w biologii molekularnej, biotechnologii, onkologii, badaniach nad zakażeniami wirusowymi i kontroli jakości edycji genów.

W artykule:

• Dlaczego selektywne usuwanie niepożądanych komórek jest ważnym celem biologii i medycyny
• Jak technologie CRISPR-Cas rozpoznają określone sekwencje nukleinowe
• Czym Cas12a2 różni się od klasycznych narzędzi edycji genów, takich jak Cas9
• Jak RNA-aktywowana nukleaza może prowadzić do śmierci wybranych komórek
• Jakie zastosowania opisano w komórkach drożdży i komórkach ludzkich
• Dlaczego technologia może mieć znaczenie dla onkologii, zakażeń przewlekłych i genetyki

Wiele zastosowań w medycynie, biotechnologii i rolnictwie wymaga precyzyjnego eliminowania niepożądanych komórek. Takie komórki mogą zagrażać zdrowiu, obniżać produktywność procesu biologicznego albo zakłócać pożądane reakcje komórkowe. Podstawowym wyzwaniem pozostaje jednak osiągnięcie tego celu bez uszkadzania innych, prawidłowych lub potrzebnych komórek.

Zespół z Helmholtz-Institut für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI) w Würzburgu, Akribion Therapeutics w Zwingenbergu, University of Utah oraz Utah State University w Stanach Zjednoczonych opracował narzędzie oparte na CRISPR, które może selektywnie zabijać określone komórki na podstawie wykrytego transkryptu RNA. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Nature.

Aktywność genów jako molekularny identyfikator komórki

Tożsamość i zachowanie komórki są w dużej mierze determinowane przez to, które geny są w danym momencie wykorzystywane oraz jak intensywnie zachodzi ich ekspresja. Na podstawie takiego wzorca aktywności można odróżniać i identyfikować komórki nawet w złożonych, mieszanych populacjach komórkowych.

Ma to szczególne znaczenie wtedy, gdy z populacji należy usunąć konkretne typy komórek. Mogą to być komórki związane z chorobą, komórki zakażone, komórki nowotworowe albo komórki, w których edycja genetyczna nie powiodła się zgodnie z oczekiwaniami. Samo wykrycie takich komórek otwiera drogę do precyzyjnej interwencji, ale ich skuteczne usunięcie często zależy od kontekstu biologicznego i wymaga indywidualnie dopasowanych strategii.

Z tego powodu w badaniach podstawowych, medycynie, biotechnologii i rolnictwie istnieje duże zapotrzebowanie na wiarygodne, elastyczne i możliwie szeroko stosowalne metody wykrywania oraz selektywnego eliminowania określonych komórek.

CRISPR-Cas jako bakteryjny system rozpoznawania i niszczenia

W przypadku bakterii technologie CRISPR już od lat dostarczają obiecujących możliwości rozpoznawania i eliminowania wybranych drobnoustrojów. Systemy CRISPR-Cas wywodzą się z bakteryjnych mechanizmów odpornościowych. W takim układzie cząsteczka RNA wyznacza sekwencję docelową, natomiast białko Cas, czyli białko związane z CRISPR, działa jako nukleaza – enzym zdolny do przecinania kwasów nukleinowych.

Jeżeli przewodnikowe RNA zostanie dobrane tak, aby pasowało wyłącznie do DNA określonej bakterii, system rozpoznaje właśnie jej materiał genetyczny. Przecięcie genomu powoduje poważne uszkodzenia, które prowadzą do śmierci komórki bakteryjnej.

Zastosowanie tych samych nukleaz w komórkach eukariotycznych, czyli w komórkach organizmów posiadających jądro komórkowe z DNA, okazało się jednak znacznie trudniejsze. Badacze z Helmholtz-Institut für RNA-basierte Infektionsforschung, będącego ośrodkiem Braunschweiger Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) prowadzonym we współpracy z Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), wspólnie z Akribion Therapeutics, University of Utah i Utah State University podjęli próbę wykorzystania takich nukleaz właśnie w komórkach eukariotycznych. Na tej podstawie opracowali własną strategię CRISPR, której celem jest selektywne usuwanie określonych komórek.

Cas12a2: narzędzie aktywowane przez RNA

Wcześniejsze prace z udziałem HIRI, opublikowane w 2023 roku w Nature, wykazały, że nukleaza CRISPR o nazwie Cas12a2 rozpoznaje docelowe sekwencje RNA. Rozpoznanie takiej sekwencji uruchamia nieswoiste przecinanie wszystkich napotkanych kwasów nukleinowych, zwłaszcza RNA, jednoniciowego DNA i dwuniciowego DNA.

„Prowadzi to do rozległych uszkodzeń DNA w bakteriach, przez co ich wzrost zostaje zatrzymany, a rozprzestrzenianie rozpoznanego intruza – zahamowane” – wyjaśnia Chase Beisel, afiliowany kierownik działu w HIRI oraz członek kadry naukowej Botnar Institute of Immune Engineering w Bazylei. Beisel jest jednym z autorów korespondencyjnych badania opublikowanego w Nature.

Ryan Jackson, profesor Utah State University i autor korespondencyjny publikacji, podkreśla różnicę między Cas12a2 a bardziej znanym enzymem Cas9: „W przeciwieństwie do aktywowanego Cas9, który wykonuje jedno precyzyjne cięcie w związanym DNA, aktywowany przez RNA Cas12a2 tnie całe DNA, które napotka, i w ten sposób zabija komórkę”.

„Jego celem nie jest naprawianie czegokolwiek. Zamiast tego niszczy wszystko, co widzi” – dodaje Yang Liu, adiunkt w University of Utah i również autor korespondencyjny badania, opisując charakter działania nukleazy Cas12a2.

Co dzieje się po uruchomieniu Cas12a2 w komórkach eukariotycznych?

Do tej pory nie było wiadomo, jakie konsekwencje będzie miało uruchomienie Cas12a2 w komórkach eukariotycznych. Nowe badanie dostarczyło odpowiedzi na to pytanie. Zespół naukowców i przedstawicieli przemysłu biotechnologicznego wykazał, że Cas12a2 w komórkach drożdży oraz w komórkach ludzkich dezaktywował komórki zawierające transkrypt docelowy, oszczędzając jednocześnie te, w których brakowało odpowiedniej sekwencji.

„Zabijanie komórek było swoiste względem sekwencji, wykazywało wysoką wrażliwość na niedopasowania i zachodziło bez mierzalnych niezamierzonych efektów” – mówi Chase Beisel.

To istotna obserwacja, ponieważ aktywność Cas12a2 w warunkach in vitro, czyli w eksperymentach prowadzonych poza organizmem, sugerowała możliwość silnego działania destrukcyjnego po aktywacji. Nie było jednak gwarancji, że taki sam mechanizm będzie możliwy do wykorzystania w komórkach ludzkich w sposób kontrolowany. Początkowo badacze obawiali się, że Cas12a2 może eliminować nie tylko komórki docelowe, lecz także inne komórki, jeżeli zostanie przypadkowo aktywowany przez obecne w nich RNA. Wyniki eksperymentów nie potwierdziły jednak tych obaw.

Szerokie pole możliwych zastosowań

„Nasza technologia daje nam potężne narzędzie do swoistego względem sekwencji zabijania komórek chorobotwórczych” – mówi Paul Scholz z Akribion Therapeutics, pierwszy autor i autor korespondencyjny publikacji. „W tym badaniu demonstrujemy potencjał naszej technologii, kierując ją przeciwko komórkom zakażonym wirusem oraz komórkom nowotworowym zmienionym przez mutację punktową. Można ją jednak zaprogramować tak, aby adresowała niemal dowolną wybraną sygnaturę RNA”.

Jednym z potencjalnych zastosowań jest także selektywne usuwanie komórek niemodyfikowanych w celu wzbogacenia populacji w komórki, w których edycja genetyczna zakończyła się powodzeniem. Takie podejście mogłoby poprawiać jakość procesów edycji genów. Zespół badawczy również zademonstrował taką możliwość w opisywanej pracy.

Zakres potencjalnych zastosowań obejmuje onkologię, przewlekłe zakażenia i technologie edycji genów. Możliwość eliminowania komórek na podstawie ich transkryptomu, czyli całkowitego zestawu transkryptów RNA obecnych w komórce w określonym momencie, otwiera nowe kierunki rozwoju biologii eksperymentalnej i medycyny molekularnej.

„Ponieważ Cas12a2 można zaprogramować za pomocą przewodnikowego RNA tak, aby celował w dowolną sekwencję RNA, i ponieważ wykazuje niewielkie lub żadne efekty poza celem, sądzimy, że znaleźliśmy sposób na selektywne wyłączanie komórek we wszystkich obszarach biologii” – mówi Ryan Jackson. „Pokazujemy, że można go wykorzystać do poprawy edycji genomu, selektywnego zabijania komórek zawierających geny wirusowe oraz eliminowania komórek z nabytymi mutacjami. Zakładamy, że ta technologia zmieni naukę, rolnictwo i medycynę w sposób, którego dziś jeszcze w pełni nie przewidujemy”.

Chase Beisel dodaje: „Mamy nadzieję, że społeczność naukowa dokładniej zbada te nowe możliwości i ustali, w jaki sposób można je dalej ulepszać oraz stosować poza naszym badaniem typu proof-of-principle”.

Sam zespół badawczy planuje dalszy rozwój Cas12a2 pod kątem zastosowań klinicznych. Równolegle naukowcy będą poszukiwać sposobów na poprawę i rozszerzenie tej technologii.

Źródło: Nature, RNA-triggered cell killing with CRISPR-Cas12a2.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10466-y