MIT의 새로운 CRISPR 기반 유전자 편집 기술로 암 돌연변이 연구 전환

[이매진]

MIT의 새로운 CRISPR 기반 유전자 편집 기술로 암 돌연변이 연구 전환

https://scitechdaily.com/mits-new-crispr-based-gene-editing-technique-transforms-cancer-mutation-studies/

Anne TRAFTON, MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY 2023년 5월 23일

MIT 연구원들은 마우스 모델에서 특정 암 관련 돌연변이를 조작하기 위해 CRISPR 게놈 편집 기술을 사용하여 빠르고 정확한 기술을 개발했으며, 이는 약물 개발과 종양 발달에 대한 이해를 크게 향상시킬 수 있는 단계입니다. p53(파란색)은 DNA(분홍색)에 결합하여 암 형성을 예방합니다.

새로운 방법을 통해 과학자들은 역할이 알려지지 않은 많은 암 돌연변이를 탐색하여 이러한 돌연변이를 표적으로 하는 신약을 개발하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

MIT 과학자들은 CRISPR 게놈 편집 기술을 사용하여 마우스 모델에 특정 암 관련 돌연변이를 조작하는 새로운 방법을 만들어 암 연구를 발전시켰습니다. 이 기술은 다양한 기관에서 암 유발 유전자인 Kras의 다중 돌연변이 모델을 설계하는 데 사용되었습니다. 빠르고 정확한 방법은 단일 암 관련 돌연변이가 있는 쥐를 생산하고 분석하는 데 수개월 또는 수년이 걸리는 힘들고 전통적인 접근 방식을 우회합니다. 또한 연구원들은 이 기술이 모든 암 돌연변이에 적용될 수 있기를 희망합니다. 이와 같이 이 강력한 도구는 이러한 돌연변이를 표적으로 하는 신약을 식별 및 테스트하고 종양 발달에 대한 뚜렷한 영향을 이해할 수 있는 가능성을 제공합니다.

암 환자에 대한 게놈 연구에서 종양 발달과 관련된 수천 가지 돌연변이가 밝혀졌습니다. 그러나 이러한 돌연변이의 대다수는 동물 모델에서 연구할 수 있는 쉬운 방법이 없기 때문에 암에 어떻게 기여하는지 확신할 수 없습니다.

과학자들이 탐구되지 않은 돌연변이의 긴 목록에 흠집을 내는 데 도움이 될 수 있는 발전으로 MIT 연구원은 특정 암 관련 돌연변이를 마우스 모델로 쉽게 조작하는 방법을 개발했습니다.

CRISPR 게놈 편집 기술을 기반으로 하는 이 기술을 사용하여 연구자들은 다른 기관에서 암을 유발하는 유전자 Kras의 여러 다른 돌연변이 모델을 만들었습니다. 그들은 이 기술이 확인된 거의 모든 다른 유형의 암 돌연변이에도 사용될 수 있다고 믿습니다.

이러한 모델은 연구자들이 이러한 돌연변이를 표적으로 하는 새로운 약물을 식별하고 테스트하는 데 도움이 될 수 있습니다.

"이것은 본질적으로 온전한 동물에서 관심 있는 모든 돌연변이의 영향을 이전 방법에 필요한 시간의 일부로 조사할 수 있는 놀랍도록 강력한 도구입니다."라고 회원인 David H. Koch 생물학 교수인 Tyler Jacks는 말합니다. MIT의 코흐 통합 암 연구 연구소(Koch Institute for Integrative Cancer Research)의 새로운 연구의 수석 저자 중 한 명입니다.

MIT 생물학과 조교수이자 Koch 연구소 회원인 Francisco Sánchez-Rivera와 하버드 대학 화학 및 화학 생물학과 교수이자 Broad Institute의 핵심 연구원인 David Liu도 선임 저자입니다. 이 연구는 Nature Biotechnology 에 5월 11일에 발표되었습니다 .

전 MIT 대학원생이자 현재 MIT 방문 과학자인 Zack Ely PhD '22와 MIT 대학원생 Nicolas Mathey-Andrews가 이 논문의 주요 저자입니다.

더 빠른 편집

마우스 모델에서 항암제를 테스트하는 것은 인간 임상 시험에 들어갈 만큼 안전하고 효과적인지 여부를 결정하는 중요한 단계입니다. 지난 20년 동안 연구원들은 유전 공학을 사용하여 종양 억제 유전자를 삭제하거나 암 촉진 유전자를 활성화하여 마우스 모델을 만들었습니다. 그러나 이 접근법은 노동 집약적이며 단일 암 관련 돌연변이가 있는 마우스를 생산하고 분석하는 데 몇 개월 또는 몇 년이 걸립니다.

"대학원생은 하나의 돌연변이에 대한 모델 구축을 중심으로 전체 박사 학위를 취득할 수 있습니다."라고 Ely는 말합니다. "전통적인 모델을 사용하면 Cancer Genome Atlas로 발견한 모든 돌연변이를 따라잡는 데 수십 년이 걸릴 것입니다."

2010년대 중반에 연구자들은 CRISPR 게놈 편집 시스템을 사용하여 암 돌연변이를 보다 쉽게 ​​만들 수 있는 가능성을 탐색하기 시작했습니다. 이 작업 중 일부는 Jacks의 연구실에서 이루어졌습니다. 그곳에서 Sánchez-Rivera(당시 MIT 대학원생)와 그의 동료들은 CRISPR을 사용하여 종양에서 종종 손실되는 유전자를 빠르고 쉽게 제거할 수 있음을 보여주었습니다 . 그러나 이 접근 방식은 유전자를 녹아웃시키기는 쉽지만 오류를 유발하는 경향이 있는 세포의 DNA 복구 메커니즘 에 의존하기 때문에 새로운 돌연변이를 유전자에 삽입하는 데는 적합하지 않습니다.

Broad Institute의 Liu 연구실에서 영감을 얻은 MIT 팀은 종양 유전자(암을 유발하는 유전자) 또는 종양 억제인자에 매우 표적화된 돌연변이를 만들 수 있는 보다 정확한 유전자 편집을 수행하는 방법을 찾고자 했습니다.

2019년에 Liu와 동료들은 프라임 편집이라는 새로운 버전의 CRISPR 게놈 편집을 보고했습니다. Cas9이라는 효소를 사용하여 DNA에 이중 가닥 절단을 만드는 CRISPR의 원래 버전과 달리 프라임 편집은 역전사 효소라는 다른 효소와 융합된 Cas9 nickase라는 변형된 효소를 사용합니다. 이 융합 효소는 DNA 나선의 한 가닥만 절단하여 세포가 DNA를 복구할 때 오류를 유발할 수 있는 이중 가닥 DNA 절단을 방지합니다.

MIT 연구원들은 주 편집 효소 유전자를 생쥐의 생식계열 세포에 조작하여 새로운 생쥐 모델을 설계했습니다. 암호화된 프라임 편집자 효소는 세포가 RNA 서열을 게놈에 통합된 DNA로 복사할 수 있게 합니다 . 그러나 주요 편집자 유전자는 Cre recombinase라는 특정 단백질의 전달에 의해 활성화될 때까지 침묵을 유지합니다.

주요 편집 시스템이 마우스 게놈에 설치되어 있기 때문에 연구자들은 Cas9 nickase가 특정 편집을 하도록 지시하는 가이드 RNA와 함께 Cre recombinase를 암 돌연변이가 발현되기를 원하는 조직에 주입하여 종양 성장을 시작할 수 있습니다. 세포의 게놈. RNA 가이드는 특정 유전자에서 단일 DNA 염기 치환, 결실 또는 추가를 유도하도록 설계될 수 있어 연구원이 원하는 암 돌연변이를 생성할 수 있습니다.

모델링 돌연변이

이 기술의 잠재력을 입증하기 위해 연구원들은 거의 모든 췌장 선암종을 포함하여 모든 인간 암의 약 30%를 유발하는 Kras 유전자에 여러 가지 다른 돌연변이를 조작했습니다. 그러나 모든 Kras 돌연변이가 동일한 것은 아닙니다. 많은 Kras 돌연변이는 아미노산 글리신이 발견 되는 G12로 알려진 위치에서 발생하며 , 돌연변이에 따라 이 글리신은 여러 다른 아미노산 중 하나로 전환될 수 있습니다 .

연구진은 폐암에서 발견되는 네 가지 유형의 Kras 돌연변이(G12C, G12D, G12R 및 G12A) 모델을 개발했습니다. 놀랍게도 그들은 이러한 각 모델에서 생성된 종양이 매우 다른 특성을 가지고 있음을 발견했습니다. 예를 들어, G12R 돌연변이는 크고 공격적인 폐 종양을 생성한 반면 G12A 종양은 더 작고 더 느리게 진행되었습니다.

이러한 돌연변이가 종양 발달에 어떻게 다르게 영향을 미치는지에 대해 더 많이 알게 되면 연구자들이 각각의 다른 돌연변이를 표적으로 하는 약물을 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다. 현재 Kras 돌연변이를 표적으로 하는 FDA 승인 약물은 두 가지뿐이며 둘 다 폐암에서 나타나는 Kras 돌연변이의 약 30%를 차지하는 G12C 돌연변이에 특이적입니다.

연구원들은 또한 그들의 기술을 사용하여 종양 억제 유전자 p53에서 여러 가지 다른 유형의 돌연변이가 있는 췌장 오가노이드를 만들었으며 현재 이러한 돌연변이의 마우스 모델을 개발하고 있습니다. 그들은 또한 Kras 억제제에 대한 저항성을 부여하는 데 도움이 되는 다른 돌연변이와 함께 추가 Kras 돌연변이 모델을 생성하기 위해 노력하고 있습니다.

Mathey-Andrews는 "우리가 기대하고 있는 한 가지는 종양 형성을 유발하는 Kras 돌연변이를 포함한 돌연변이 조합과 저항성 관련 돌연변이를 살펴보는 것입니다."라고 말했습니다. "우리는 돌연변이가 저항성을 유발하는지 여부뿐만 아니라 저항성 종양이 어떻게 생겼는지에 대한 핸들을 제공하기를 바랍니다."

연구원들은 Jackson 연구소의 저장소를 통해 이용 가능한 게놈으로 조작된 주요 편집 시스템을 갖춘 마우스를 만들었으며 다른 실험실에서 암 돌연변이에 대한 자체 연구를 위해 이 기술을 사용하기 시작하기를 희망합니다.

참조: Zackery A. Ely, Nicolas Mathey-Andrews, Santiago Naranjo, Samuel I. Gould, Kim L. Mercer, Gregory A. Newby, Christina M. Cabana, William M. Rideout III, Grissel Cervantes Jaramillo, Jennifer M. Khirallah, Katie Holland, Peyton B. Randolph, William A. Freed-Pastor, Jessie R. Davis, Zachary Kulstad, Peter MK Westcott, Lin Lin, Andrew V. Anzalone, Brendan L. Horton, Nimisha B. Pattada, Sean-Luc Shanahan, Zhongfeng Ye, Stefani Spranger, Qiaobing Xu, Francisco J. Sánchez-Rivera, David R. Liu 및 Tyler Jacks, 2023년 5월 11일, Nature Biotechnology .
DOI: 10.1038/s41587-023-01783-y

이 연구는 MIT의 Ludwig Center, National Cancer Institute, Howard Hughes Medical Institute Hanna Gray Fellowship, V Foundation for Cancer Research, Koch Institute Frontier Award, MIT Research Support Committee, Helen Hay Whitney Postdoctoral Fellowship의 지원을 받았습니다. , David H. Koch 대학원 친목 기금, 국립 보건원 , 췌장암 연구를 위한 Lustgarten 재단.

이 논문의 다른 저자로는 Santiago Naranjo, Samuel Gould, Kim Mercer, Gregory Newby, Christina Cabana, William Rideout, Grissel Cervantes Jaramillo, Jennifer Khirallah, Katie Holland, Peyton Randolph, William Freed-Pastor, Jessie Davis, Zachary Kulstad, Peter Westcott이 있습니다. , Lin Lin, Andrew Anzalone, Brendan Horton, Nimisha Pattada, Sean-Luc Shanahan, Zhongfeng Ye, Stefani Spranger 및 Qiaobing Xu.