Von der Präzisionsmedizin bis zur molekularen Züchtung hat die Genomeditierung eine neue Generation biotechnologischer Revolutionen ausgelöst

Einführung

In den letzten zwei Jahren erfreute sich die Technologie zur Genomeditierung großer Beliebtheit. Es handelt sich nicht nur um eine unverzichtbare Technologie für jedes Molekularlabor, sondern sie hat auch eine große Zahl von Anwendungen hervorgebracht, darunter Molekularzüchtung, Sortenverbesserung, Gentherapie und andere Aspekte.

Heute interviewen wir Professor Gu Feng von der School of Medicine der Hunan Normal University und angesehenen Professor „Xiaoxiang Scholar“. Professor Gu wird uns die Anwendung und zukünftige Entwicklung der Gen-Editierungstechnologie erklären.

F: Können Sie die Anwendungsaussichten der Genomeditierungstechnologie vorstellen?

Gu Feng: Zu den aktuellen medizinischen Anwendungen der Gen-Editierungstechnologie gehören im Allgemeinen die folgenden:

Erstens: Tiermodelle. In der Anfangszeit wurden nur Ratten und Mäuse (hauptsächlich Mäuse) als Tiermodelle verwendet. Durch die Hinzufügung der Technologie zur Genomeditierung können wir die meisten uns vorstellbaren Tiere erschaffen, beispielsweise Kaninchen, Hunde und Schweine. Bei Schweinen können wir beispielsweise Forschungen zur krankheitsresistenten Züchtung durchführen. Beispielsweise werden die Schweine nach der Bearbeitung eines bestimmten Gens nicht mehr von einem bestimmten Virus infiziert. Dies kann in der Landwirtschaft, der Lebensmittel- und Tierhaltung angewendet werden.

Das weltweit erste CRSPR/Cpf1-Gen-Kaninchen- und Schweinemodell

Auch bei Pflanzen wie Sojabohnen und Reis gibt es molekulare Züchtung. Grundsätzlich kann jede Pflanze, die wir uns vorstellen können, gentechnisch verändert werden. Daher ist die Technologie der Genomeditierung für die Züchtung von großer Bedeutung.

Sojabohnen mit hohem Ölsäuregehalt

Was ist die wichtigste Anwendung in der Medizin? Es handelt sich um eine Behandlung, die auch das Screening von Wirkstoffzielen umfasst. Um zu verstehen, wie das neue Coronavirus mit Zellen interagiert, können wir am Beispiel des neuen Coronavirus die Gene in den Zellen ausschalten, um zu sehen, welches Gen das Coronavirus daran hindert, eine Infektion auszulösen, oder welches Gen seine Replikation nach der Infektion verhindert, oder welches Gen seine Freisetzung nach der Replikation verhindert. Solange ein beliebiger Schritt im Prozess beeinträchtigt wird, nimmt die Toxizität des Virus theoretisch ab.

Ein weiterer Punkt ist, dass wir Werkzeuge verwenden, um sie direkt in bestimmte Zellen zu transportieren, um die Genreparaturarbeit abzuschließen. Zu den wichtigeren Krankheitsarten zählen hierbei die Netzhauterkrankungen des Auges. Das Auge ist ein immunfreies Organ, daher werden therapeutische Mittel wie CRISPR/Cas9, die in das Auge injiziert werden, vom Immunsystem weniger leicht erkannt. Wenn die Gene bestimmter Zellen repariert werden, ist der Film, genau wie der Film in unserer Kamera, theoretisch nützlicher, die aufgenommenen Bilder werden klarer und die Menschen können sie auf die gleiche Weise sehen.

Es gibt auch Lebererkrankungen wie Hypercholesterinämie, eine sehr große Kategorie von Krankheiten. Sie ist sehr schädlich und kann plötzlich zum Tod führen, da Herz-Kreislauf-Erkrankungen sehr gefährlich sind und eine große Zahl von Patienten betreffen. Wenn es uns gelingt, das spezifische LDLR-Gen auszuschalten oder zu reparieren, können wir Hypercholesterinämie behandeln. Selbstverständlich können wir für verschiedene Fälle von Hypercholesterinämie spezifische Reparaturen durchführen.

Eine weitere große Kategorie ist das Blutsystem. Das Blutsystem wird durch Krankheiten wie Thalassämie dargestellt. Derzeit geht es China sehr gut und seine Anwendung und Transformation auf internationaler Ebene liegen grundsätzlich auf der ersten Ebene.

Dies sind die wichtigsten Krankheiten, die derzeit in der Medizin mit der Genomeditierung behandelt werden.

Darüber hinaus gibt es die Tumorimmunität, bei der mithilfe von CAR-T und Genomeditierung bestimmte Moleküle in T-Zellen transportiert werden und so eine gezielte Eliminierung von Tumoren erreicht wird.

Im Vergleich ist es sehr vielversprechend. Generell besteht unser Ziel darin, die neuesten Technologien auf wichtige klinische Erkrankungen anzuwenden, um diese letztlich zu heilen und den klinischen Bedarf zu decken.

F: Können Sie die Anwendung der CRISPR/Cas-Gen-Editierungstechnologie bei der Behandlung monogener Krankheiten vorstellen?

Gu Feng: Die modernste Einzelgentherapie ist derzeit die Thalassämie (Behandlung). Die Zahl der Thalassämie-Patienten ist groß und es mangelt an einer wirksamen Behandlung. Zu den frühen Behandlungsmethoden zählt neben Bluttransfusionen und Eisenentfernung auch die Stammzelltransplantation. Da es sich bei der Stammzelltransplantation jedoch um eine Zuordnung handelt, sind die Einsatzmöglichkeiten dieser beiden Methoden tatsächlich sehr begrenzt. Die Behandlung seltener monogener Erkrankungen besteht nicht darin, das Beta-Globin- oder HBB-Gen (das Gen, das Thalassämie verursacht) direkt zu reparieren, sondern die regulatorische Sequenz zu manipulieren, um eine Krankheit namens HPFH zu simulieren. Die Symptome dieser Krankheit sind sehr mild und wir können die Promotorregion eines anderen Gens manipulieren, um die Nichtexpression des Beta-Globin-Gens und des β-Globins zu erreichen.

Konkret geht es darum, ein weiteres Globinstadium zu induzieren, sodass es eine entlastende Funktion übernehmen kann. Daher ist die therapeutische Wirkung vorerst noch recht gut.

Ein weiterer Vorteil dieses Behandlungsansatzes besteht darin, dass er zur Korrektur jeglicher Mutation der Krankheit eingesetzt werden kann. Dies ist auf frühere Entdeckungen über die Regulierung von Genen zurückzuführen. Die Arbeit unserer Vorgänger ist für unsere heutige Behandlungsarbeit von großem Nutzen.

Ich denke, diese Idee ist sehr lehrreich für die Behandlung anderer genetischer Erkrankungen. Es ist gleichbedeutend mit einem Medikament, das alle Gene mit unterschiedlichen Mutationen abdecken kann.

F: Wie ist der aktuelle Stand der Gentherapie bei multigenen genetischen Erkrankungen?

Gu Feng: Bei polygenen genetischen Erkrankungen spielen mehrere Gene eine Rolle, aber jedes Gen kann einen anderen Beitragsanteil haben. Theoretisch ist eine Multigentherapie möglich. Eines der Hauptprobleme besteht derzeit jedoch darin, dass es oft schwierig ist, die Krankheit zu simulieren. Wenn es beispielsweise vier Gene gibt und wir ein Simulationsexperiment an Mäusen durchführen möchten, müssen wir alle vier Gene gleichzeitig in mutierte Gene umwandeln, was einen enormen Arbeitsaufwand darstellt.

Darüber hinaus leistet jedes Gen einen Beitrag. Ob die Gene von Menschen und Mäusen vollständig simuliert und analogisiert werden können, ist eine wissenschaftliche Frage. Aus diesem Grund wurde im Bereich der Multigentherapie bisher nicht viel Arbeit geleistet, vor allem weil die Arbeit schwierig durchzuführen ist und der (Behandlungs-)Zyklus relativ lang ist.

Als Technologie müssen wir zunächst in dem Bereich einen Durchbruch erzielen, in dem ein Durchbruch leichter möglich ist, und dann langsam den Punkt nutzen, um das Ganze anzuführen. Theoretisch ist die Multigentherapie der Einzelgentherapie sehr ähnlich, allerdings kann für die Multigentherapie ein höherer technologischer Forschungs- und Entwicklungsaufwand erforderlich sein.

F: Können Sie uns etwas über die Zucht von Tieren und Pflanzen erzählen?

Gu Feng: In der Tierzucht können sich beispielsweise Schweine mit einem Virus namens PERV infizieren. Nach einer Infektion entwickeln Schweine eine Krankheit namens Porcines Endogenes Retrovirus (PERV), die besonders schädlich ist.

Einige Forscher schalteten das spezifische Rezeptorgen CD163 aus und stellten fest, dass Schweine nach der Ausschaltung dieses Gens möglicherweise nicht mehr mit diesem Virus infiziert werden können. Theoretisch kann dadurch ein guter Zuchteffekt erzielt und eine Infektion der Tiere im gesamten Betrieb vermieden werden. Vor einigen Jahren, als es die Afrikanische Schweinepest gab, haben wir diese spezielle Methode (Genbearbeitung) durchgeführt, um der Afrikanischen Schweinepest widerstehen zu können. Selbst wenn sich das Virus der Afrikanischen Schweinepest ausbreitet, können Schweine überleben und werden nicht befallen. Durch die Anwendung von Technologien zur Genomeditierung in der Tierzucht können die Zuchtkosten erheblich gesenkt werden.

Das Gleiche gilt für Pflanzen. Wenn wir beispielsweise Pflanzen mit höheren Erträgen und besserer Qualität züchten wollen, die etwa salztolerant, hitzetolerant, kältetolerant sind oder über starke Wuchseigenschaften verfügen, sind all diese Dinge vom technologischen Fortschritt abhängig. Indem wir die Technologie auf die Bedürfnisse der Nation ausrichten, können wir nicht nur genug, sondern auch gut essen.

In Bezug auf die Fischzucht haben die Akademiker Liu Jun und Liu Shaojun von der Hunan Normal University großartige Arbeit geleistet.

Die Akademiker Liu Yun (links) und Liu Shaojun (rechts)

F: Können Sie uns etwas über die Zucht von Tieren und Pflanzen erzählen?

Gu Feng: In der Tierzucht können sich beispielsweise Schweine mit einem Virus namens PERV infizieren. Nach einer Infektion entwickeln Schweine eine Krankheit namens Porcines Endogenes Retrovirus (PERV), die besonders schädlich ist.

Einige Forscher schalteten das spezifische Rezeptorgen CD163 aus und stellten fest, dass Schweine nach der Ausschaltung dieses Gens möglicherweise nicht mehr mit diesem Virus infiziert werden können. Theoretisch kann dadurch ein guter Zuchteffekt erzielt und eine Infektion der Tiere im gesamten Betrieb vermieden werden. Vor einigen Jahren, als es die Afrikanische Schweinepest gab, haben wir diese spezielle Methode (Genbearbeitung) durchgeführt, um der Afrikanischen Schweinepest widerstehen zu können. Selbst wenn sich das Virus der Afrikanischen Schweinepest ausbreitet, können Schweine überleben und werden nicht befallen. Durch die Anwendung von Technologien zur Genomeditierung in der Tierzucht können die Zuchtkosten erheblich gesenkt werden.

Das Gleiche gilt für Pflanzen. Wenn wir beispielsweise Pflanzen mit höheren Erträgen und besserer Qualität züchten wollen, die etwa salztolerant, hitzetolerant, kältetolerant sind oder über starke Wuchseigenschaften verfügen, sind all diese Dinge vom technologischen Fortschritt abhängig. Indem wir die Technologie auf die Bedürfnisse der Nation ausrichten, können wir nicht nur genug, sondern auch gut essen.

In Bezug auf die Fischzucht haben die Akademiker Liu Jun und Liu Shaojun von der Hunan Normal University großartige Arbeit geleistet.

F: Können Sie den Unterschied zwischen geneditierten und gentechnisch veränderten Pflanzen erklären?

Gu Feng: Die früheste GVO-Forschung konzentrierte sich auf GVO-Baumwolle. Durch die Transkription des BT-Gens konnten Insekten die Blätter der Baumwolle nicht fressen, wodurch letztendlich insektenresistente Baumwolle entstand. Insektenresistente Baumwolle ist ertragreich und kommt ohne Pestizide aus. Unter den ersten gentechnisch veränderten Pflanzen war die insektenresistente Baumwolle die erfolgreichste.

Mit der gleichen Strategie können wir auch Gene in Reis übertragen. Auf diese Weise enthält Reis einige Produkte, die durch exogene Gene kodiert werden. Die geneditierten Produkte, die wir jetzt herstellen, unterscheiden sich wesentlich von gentechnisch veränderten Produkten.

Bei der genetischen Modifikation werden exogene Gene in Pflanzen oder Tiere übertragen, die letztendlich im Genom verbleiben. Wie der Name schon sagt, wird dieses exogene Gen als transgen bezeichnet.

Aber was die Genombearbeitung betrifft, können wir, wenn wir RNA und Proteine ​​verwenden, um auf (Pflanzen) einzuwirken, schließlich jede Base durch Sequenzierung sequenzieren und herausfinden. Schließlich verbleiben körperfremde Stoffe nicht im Genom. Sie spielen nur eine redaktionelle Rolle und werden schnell abgebaut.

Wie bei der Weltraumzucht schicken wir Reis mit dem Raumschiff Shenzhou auf eine „Reise“ ins All. Wenn die Samen zurückkommen, sind sie mutiert. Nach der Mutation können wir sie züchten und feststellen, dass die Samen möglicherweise besser schmecken. Dies ist der Genbearbeitung sehr ähnlich.

Die Genomeditierung hat lediglich eine editierende Funktion und es gelangen keine körperfremden Substanzen in die Tiere und Pflanzen. Durch Hochdurchsatzsequenzierung wird sichergestellt, dass jede Base klar ist. Dies ist also etwas völlig anderes als eine genetische Modifikation. Genetisch veränderte Organismen hinterlassen Rückstände in Tieren und Pflanzen, dies ist bei der Genomeditierung nicht der Fall.

Ob Tiere, Pflanzen oder Mikroorganismen: Krankheitsresistente Züchtung und Züchtung unter Extrembedingungen sind somit möglich. Daher mag die breite Öffentlichkeit gewisse Bedenken gegenüber GVO haben, doch was die Technologie zur Genom-Editierung betrifft, so denke ich, dass sie theoretisch von jedermann akzeptiert werden kann, solange wir gute Arbeit bei der entsprechenden Öffentlichkeitsarbeit und der damit verbundenen populärwissenschaftlichen Auseinandersetzung leisten.

F: Können Sie uns abschließend etwas über die Zukunftsaussichten der Gen-Editing-Technologie sagen?

Gu Feng: Die Technologie zur Genomeditierung gibt es bereits seit zehn Jahren. Bei den ersten Werkzeugen können mehr oder weniger große Probleme auftreten, aber insgesamt werden die Werkzeuge zur Genom-Editierung immer präziser, benutzerfreundlicher und effizienter.

Das bedeutet natürlich nicht, dass unsere aktuellen Tools gut genug sind, es gibt immer noch einige Probleme. Bei der Betrachtung von Werkzeugen zur Genombearbeitung ist vor allem darauf zu achten, wofür sie verwendet werden. Im Hinblick auf die Behandlungsforschung am Menschen hoffen wir beispielsweise, dass die Instrumente absolut präzise sind. Das ist genau wie beim Hochsprung. Früher konnten wir zwei Meter springen, jetzt hoffen wir, zweieinhalb Meter oder sogar zweieinhalb Meter springen zu können und dann noch höher zu kommen. Dies ist ein Prozess der kontinuierlichen Verbesserung.

Daher bin ich der Meinung, dass weiterhin Bedarf an der Erforschung und Entwicklung von Werkzeugen zur Genomeditierung besteht. Insbesondere die Nachfrage nach Werkzeugen zur Genomeditierung auf klinischer Ebene ist sehr groß. Natürlich stellen unterschiedliche Krankheiten unterschiedliche Anforderungen an die Instrumente. Zum Beispiel Tumore. Die Behandlungsmethoden für Tumore sind relativ begrenzt und die Behandlungseffekte sind auch relativ allgemein, sodass die Schwelle für Tumorwerkzeuge etwas niedriger sein wird. Solange die Wirkung der Behandlung besser ist und die Akzeptanz bei den Patienten höher ist, bedeutet dies für die Patienten einen größeren Nutzen und geringere Risiken.

Derzeit sind die Anforderungen im Bereich der Onkologie nicht sehr hoch. Bei genetischen Erkrankungen möchten wir jedoch so präzise wie möglich sein. Derzeit sind mit unserer Technologie noch erste (Behandlungs-)Arbeiten bei bestimmten tödlichen und besonders gefährlichen Krankheiten möglich.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Team/Autor: Deep Science

Gutachter: Tao Ning, Assoziierter Forscher, Institut für Biophysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.