Добавить новость
ru24.net
News in English
Февраль
2024

Junk DNA in birds may hold key to safe, efficient gene therapy

0

The recent approval of a CRISPR-Cas9 therapy for sickle cell disease demonstrates that gene editing tools can do a superb job knocking out genes to cure hereditary disease. But it’s still not possible to insert whole genes into the human genome to substitute for defective or deleterious genes.

A new technique that employs a retrotransposon from birds to insert genes into the genome holds more promise for gene therapy, since it inserts genes into a “safe harbor” in the human genome where the insertion won’t disrupt essential genes or lead to cancer.

Retrotransposons, or retroelements, are pieces of DNA that, when transcribed to RNA, code for enzymes that copy RNA back into DNA in the genome — a self-serving cycle that clutters the genome with retrotransposon DNA. About 40% of the human genome is made up of this “selfish” new DNA, though most of the genes are disabled, so-called junk DNA.

The new technique, called Precise RNA-mediated INsertion of Transgenes, or PRINT, leverages the ability of some retrotransposons to efficiently insert entire genes into the genome without affecting other genome functions. PRINT would complement the recognized ability of CRISPR-Cas technology to disable genes, make point mutations and insert short segments of DNA.

A description of PRINT, which was developed in the laboratory of Kathleen Collins, a professor of molecular and cell biology at the University of California, Berkeley, will be published Feb. 20 in the journal Nature Biotechnology.

PRINT involves the insertion of new DNA into a cell using delivery methods similar to those used to ferry CRISPR-Cas9 into cells for genome editing. For PRINT, one piece of delivered RNA encodes a common retroelement protein called R2 protein, which has multiple active parts, including a nickase — an enzyme that binds and nicks double-stranded DNA — and reverse transcriptase, the enzyme that generates the DNA copy of RNA. The other RNA is the template for the transgene DNA to be inserted, plus gene expression control elements — an entire autonomous transgene cassette that R2 protein inserts into the genome, Collins said.

A key advantage of using R2 protein is that it inserts the transgene into an area of the genome that contains hundreds of identical copies of the same gene — each coding for ribosomal RNA, the RNA machine that translates messenger RNA (mRNA) into protein. With so many redundant copies, when the insertion disrupts one or a few ribosomal RNA genes, the loss of the genes won’t be missed.

Putting the transgene into a safe harbor avoids a major problem encountered when inserting transgenes via a human virus vector, which is the common method today: The gene is often inserted randomly into the genome, disabling working genes or messing with the regulation or function of genes, potentially leading to cancer.

“A CRISPR-Cas9-based approach can fix a mutant nucleotide or insert a little patch of DNA — sequence fixing. Or you can just knock out a gene function by site-specific mutagenesis,” said Collins, who holds the Walter and Ruth Schubert Family Chair. “We’re not knocking out a gene function. We’re not fixing an endogenous gene mutation. We’re taking a complementary approach, which is to put into the genome an autonomously expressed gene that makes an active protein —to add back a functional gene as a deficit bypass. It’s transgene supplementation instead of mutation reversal. To fix loss-of-function diseases that arise from a panoply of individual mutations of the same gene, this is great.”

‘The real winners were from birds’
Many hereditary diseases, such as cystic fibrosis and hemophilia, are caused by a number of different mutations in the same gene, all of which disable the gene’s function. Any CRISPR-Cas9-based gene editing therapy would have to be tailored to a person’s specific mutation. Gene supplementation using PRINT could instead deliver the correct gene to every person with the disease, allowing each patient’s body to make the normal protein, no matter what the original mutation.

Many academic labs and startups are investigating the use of transposons and retrotransposons to insert genes for gene therapy. One popular retrotransposon under study by biotech companies is LINE-1 (Long INterspersed Element-1), which in humans has duplicated itself and some hitchhiker genes to cover about 30% of the genome, though fewer than 100 of our genome’s LINE-1 retrotransposon copies are functional today, a miniscule fraction of the genome.

Collins, along with UC Berkeley postdoctoral colleague Akanksha Thawani and Eva Nogales, UC Berkeley Distinguished Professor in the Department of Molecular and Cell Biology and a Howard Hughes Medical Institute investigator, published a cryoelectron microscopy structure of the enzyme protein encoded by the LINE-1 retroelement on Dec. 14 in the journal Nature.

That study made it clear, Collins said, that the LINE-1 retrotransposon protein would be hard to engineer to safely and efficiently insert a transgene into the human genome. But previous research demonstrating that genes inserted into the repetitive, ribosomal RNA encoding region of the genome (the rDNA) get expressed normally suggested to Collins that a different retroelement, called R2, might work better for safe transgene insertion.

Because R2 is not found in humans, Collins and senior researcher Xiaozhu Zhang and postdoctoral fellow Briana Van Treeck, both from UC Berkeley, screened R2 from more than a score of animal genomes, from insects to the horseshoe crab and other multicellular eukaryotes, to find a version that was highly targeted to rDNA regions in the human genome and efficient at inserting long lengths of DNA into the region.

“After chasing dozens of them, the real winners were from birds,” Collins said, including the zebra finch and the white-throated sparrow.

While mammals do not have R2 in their genomes, they do have the binding sites needed for R2 to effectively insert as a retroelement — likely a sign, she said, that the predecessors to mammals had an R2-like retroelement that somehow got kicked out of the mammalian genome.

In experiments, Zhang and Van Treeck synthesized mRNA-encoding R2 protein and a template RNA that would generate a transgene with a fluorescent protein expressed by an RNA polymerase promoter. These were cotransfected into cultured human cells. About half the cells lit up green or red due to fluorescent protein expression under laser light, demonstrating that the R2 system had successfully inserted a working fluorescent protein into the genome.

Further studies showed that the transgene did indeed insert into the rDNA regions of the genome and that about 10 copies of the RNA template could insert without disrupting the protein-manufacturing activity of the rDNA genes.

A giant ribosome biogenesis center
Inserting transgenes into rDNA regions of the genome is advantageous for reasons other than it gives them a safe harbor. The rDNA regions are found on the stubby arms of five separate chromosomes. All of these stubby arms huddle together to form a structure called the nucleolus, in which DNA is transcribed into ribosomal RNA, which then folds into the ribosomal machinery that makes proteins. Within the nucleolus, rDNA transcription is highly regulated, and the genes undergo quick repairs, since any rDNA breaks, if left to propagate, could shut down protein production. As a result, any transgene inserted into the rDNA region of the genome would be treated with kid gloves inside the nucleolus.

“The nucleolus is a giant ribosome biogenesis center,” Collins said. “But it’s also a really privileged DNA repair environment with low oncogenic risk from gene insertion. It’s brilliant that these successful retroelements — I’m anthropomorphizing them — have gone into the ribosomal DNA. It’s multicopy, it’s conserved, and it’s a safe harbor in the sense that you can disrupt one of these copies and the cell doesn’t care.”

This makes the region an ideal place to insert a gene for human gene therapy.

Collins admitted that a lot is still unknown about how R2 works and that questions remain about the biology of rDNA transcription: How many rDNA genes can be disrupted before the cell cares? Because some cells turn off many of the 400+ rDNA genes in the human genome, are these cells more susceptible to side effects of PRINT? She and her team are investigating these questions, but also tweaking the various proteins and RNAs involved in retroelement insertion to make PRINT work better in cultured cells and primary cells from human tissue.

The bottom line, though, is that “it works,” she said. “It’s just that we have to understand a little bit more about the biology of our rDNA in order to really take advantage of it.”

Other co-authors of the Nature Biotechnology paper are UC Berkeley graduate students Connor Horton, Jeremy McIntyre, Sarah Palm and Justin Shumate. The work was supported by the National Institutes of Health (F32 GM139306, DP1 HL156819, T32 GM07232) and the Shurl and Kay Curci Foundation. Collins has filed for patents on PRINT, and co-founded a company, Addition Therapeutics, to develop PRINT further as a gene therapy.




Moscow.media
Частные объявления сегодня





Rss.plus



Соцфонд проиндексирует пенсии работающим пенсионерам в феврале

Свыше 6,5 тысячи жителей Москвы и Московской области получили справки о статусе предпенсионера в клиентских службах регионального Отделения СФР и МФЦ

Токсиколог Кутушов назвал привычку ставить много будильников опасной для здоровья

Мытищинское предприятие ООО «Водомер» получило Диплом победителя в региональном конкурсе «100 лучших товаров России»


Грибная охота: токсиколог Кутушов рассказал, как избежать отравления и собирать только безопасные грибы

Как при помощи одежды оставаться молодой и привлекательной

Токсиколог Кутушов назвал привычку ставить много будильников опасной для здоровья

«Авторадио» погрузило гостей ММНК в атмосферу знаменитого мюзикла


Heartbreaking moment Brit certain for Paralympics 2024 gold suddenly crashes and collapses onto velodrome floor

Snell shines, Chapman plays hero as SF Giants rally for needed win

Crew of doomed Bayesian superyacht say they ‘saved who they could’

‘We’ll be woken up at 4am every DAY’ slam locals over £200m expansion of major UK airport… but some can’t wait


Личный водитель задушил петербурженку ради 10 млн рублей

Пассажирский поезд врезался в кроссовер

Эксперты назвали самые популярные города России для летнего отдыха

Мигранты захватывают Новосибирск: Русских заставляют учить киргизский


Doomsday: Last Survivors 1.33.0

Asus ROG Zephyrus G16 (2024) GA605 review

The PC game releases we're most excited about in September

10 tips to get started in Star Wars Outlaws


Як встановити ручки на планці для дверей

Як вибрати накладний замок


Metaratings: «Динамо» интересуется Тикнизяном

Грибная охота: токсиколог Кутушов рассказал, как избежать отравления и собирать только безопасные грибы

Токсиколог Кутушов назвал привычку ставить много будильников опасной для здоровья

Прогулки по Москве




Петербуржцам рассказали, в какие месяцы путешествовать дешевле

Диетолог Гинзбург назвал пять продуктов, от которых нужно отказаться пожилым

Соцфонд проиндексирует пенсии работающим пенсионерам в феврале

Более 60 точек торговли организовано в Ступино в День города


Грузовик протаранил автобус с 27 людьми в Новой Москве, есть погибшие

Стрельба в Москве на Патриках: Очевидцы слышали как минимум пять выстрелов - источник

МВД: одного человека задержали после стрельбы в ресторане в Москве

Mash: Стрельба произошла около ресторана на Патриарших прудах


Теннисист Рублев проиграл Димитрову в матче четвертого круга US Open

Теннисист Медведев прошел в третий круг US Open в Нью-Йорке

Новак Джокович опустится минимум на четвёртую строчку рейтинга ATP

Шнайдер: чувствую, что США для меня — второй дом


Самарские «Крылья Советов» дома уступили махачкалинскому «Динамо»

Курсовые роботы: какие новые специальности открылись в вузах

Еще одно ДТП с автобусом произошло на ЦКАД в ТиНАО

Полузащитник "Краснодара" Сперцян о разгроме "Локомотива": хорошо сделали работу


Музыкальные новости

В Москве экстренно госпитализировали отца Филиппа Киркорова Бедроса Киркорова

Хорошо провели время вместе: беременная певица Карди Би воссоединилась с бывшим мужем ради сына

В элитной "тусовке" раскол: Божена Рынска и Ксения Собчак сцепились из-за "испуганного патриота" Ильи Лагутенко

Певицу Клаву Коку экстренно забрали в больницу



Прогулки по Москве

Metaratings: «Динамо» интересуется Тикнизяном

Токсиколог Кутушов назвал привычку ставить много будильников опасной для здоровья

Грибная охота: токсиколог Кутушов рассказал, как избежать отравления и собирать только безопасные грибы


Спектакль "Чайка" в Театре Моссовета станет одним из ожидаемых спектаклей сезона

«Спартак» — «Автомобилист» — 4:3 Б. Видеообзор матча Кубка мэра Москвы

В преддверии Дня знаний сотрудники Клинского ОВО совместно с солистом группы «На-на» Владимиром Политовым поздравили воспитанников Центра помощи семье и детям «Клинский»

Российская певица Ольга Шультайс стала трижды титулованной королевой на Миссис Бизнес Москва’24


Прогулки по Москве

Shot: россиянка отдала случайному прохожему платья почти на 850 тысяч рублей

Департамент ГОЧС и ПБ: последствия ДТП в Новой Москве ликвидировали

Пострадавшего в аварии с грузовиком и автобусом на ЦКАД эвакуировали вертолетом


Путин посетит Монголию и прилетит на Дальний Восток для участия в ВЭФ

Мэр Ландеты предложил Путину запустить образовательный курс

Путин назвал Узбекистан стратегическим союзником в День независимости республики

Песков рассказал о реакции Путина на то, что Байден назвал его «убийцей»





Терпеть нельзя: Доктор Кутушов рассказал, почему нужно помочиться сразу же

Токсиколог Кутушов назвал неожиданную пользу лисичек в борьбе с паразитами

Токсиколог Кутушов назвал привычку ставить много будильников опасной для здоровья

Токсиколог Кутушов назвал привычку ставить много будильников опасной для здоровья



Росгвардейцы обеспечили правопорядок на спортивных мероприятиях в Москве

«Оренбург» — «Динамо» Москва — 2:2. Видеообзор матча РПЛ со спасительным голом на 95-й минуте

Metaratings: «Динамо» интересуется Тикнизяном

Прогулки по Москве




Собянин: БПЛА сбили на подлете к Москве в городском округе Подольск

Собянин: Еще один сбитый беспилотник при падении повредил техническое помещение МНПЗ

Собянин: силы ПВО сбили в Одинцове четвертый БПЛА, летевший в сторону Москвы

Собянин сообщил о ликвидации силами ПВО десяти БПЛА, летевших к Москве


«Инопланетное происхождение»: что за золотой шар обнаружили на дне Тихого океана

Птицы массово гибнут на пруду в Новой Москве

В Москве обнаружили краснокнижных серых цапель, которых считали исчезнувшими

«Вымершая‎» серая цапля прилетела в Москву


Курсовые роботы: какие новые специальности открылись в вузах

Жизнь без льгот: что происходит с рынком жилья после отмены льготной ипотеки

Археолог сообщил, что ученые на дне Иссык-Куля нашли артефакты

1 сентября 2024-го стало самым жарким в Москве с начала XXI века


Жители Архангельской области и других регионов России наслаждались редким северным сиянием

Близкая Арктика: что посмотреть в Архангельской области

В Арктике разворачивается «гонка вооружений». США пытаются препятствовать сотрудничеству РФ и КНР

Полярные сияния наблюдали в нескольких регионах России


В ДТП под Симферополем погибли два человека

Людей чудом не оказалось на остановке, в которую влетела BMW

1 и 2 сентября филиал РТРС «РТПЦ Республики Мордовия» и Министерство образования Республики Мордовия проведут совместную акцию, приуроченную ко Дню знаний и началу нового учебного года.

Книжная выставка «Без меня народ не полный…» к 125-летию со дня рождения А.П.Платонова, русского и советского писателя, поэта и публициста, драматурга.


Mash: Стрельба произошла около ресторана на Патриарших прудах

Археолог сообщил, что ученые на дне Иссык-Куля нашли артефакты

Еще одно ДТП с автобусом произошло на ЦКАД в ТиНАО

Самарские «Крылья Советов» дома уступили махачкалинскому «Динамо»












Спорт в России и мире

Новости спорта


Новости тенниса
US Open

Джокович проиграл в третьем круге US Open и впервые с 2017 года завершит год без титула на турнире Большого шлема






Курсовые роботы: какие новые специальности открылись в вузах

Стрельба в Москве на Патриках: Очевидцы слышали как минимум пять выстрелов - источник

Mash: Стрельба произошла около ресторана на Патриарших прудах

1 сентября 2024-го стало самым жарким в Москве с начала XXI века