L'editing di base corregge il DNA mitocondriale patogeno nei modelli derivati dai pazienti / Base Editing Corrects Pathogenic Mitochondria DNA in Patient-Derived Models
L'editing di base corregge il DNA mitocondriale patogeno nei modelli derivati dai pazienti / Base Editing Corrects Pathogenic Mitochondria DNA in Patient-Derived Models
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
In un passo avanti verso il trattamento delle malattie mitocondriali, i ricercatori dell'University Medical Center di Utrecht ed i loro colleghi hanno utilizzato l'editing di basi mitocondriali (mtBE) per modificare con successo mutazioni dannose nel DNA mitocondriale. Attraverso il loro studio appena pubblicato, il gruppo, guidato dal Dott. Martijn Koppens, ha utilizzato l'editor di basi citosiniche derivato dalla tossina A della DNA deaminasi a doppio filamento (DdCBE) per sviluppare modelli di malattia in vitro e valutare strategie terapeutiche per le malattie mitocondriali in cellule umane primarie.
Il gruppo suggerisce che i risultati del loro lavoro potrebbero offrire nuove speranze alle persone affette da malattie genetiche rare. Koppens e colleghi hanno pubblicato i loro risultati su PLOS Biology in un articolo intitolato " Correzione del DNA mitocondriale patogeno in modelli di malattia derivati da pazienti utilizzando editor di basi mitocondriali ". Nel loro articolo, il team afferma: "In sintesi, la nostra ricerca dimostra l'efficacia dell'mtBE nelle cellule umane adulte primarie, portando al recupero della funzione mitocondriale: due aspetti cruciali per l'ulteriore sviluppo della terapia genica mitocondriale".
I mitocondri, a volte definiti le centrali elettriche della cellula, possiedono un proprio piccolo corredo di DNA, o genoma mitocondriale. Le mutazioni in questo DNA mitocondriale possono portare a un'ampia gamma di malattie ereditarie materne, tumori e condizioni legate all'invecchiamento. Lo sviluppo della tecnologia CRISPR ha offerto agli scienziati nuovi modi per correggere le mutazioni nel DNA nucleare; questo sistema non riesce ad attraversare efficacemente la membrana mitocondriale e a raggiungere il DNA mitocondriale. "Questo ha sostanzialmente lasciato la genetica mitocondriale in un'era pre-ingegneria genetica ed i pazienti affetti da mitocondrio non sono in grado di beneficiare dei progressi nelle strategie di correzione genetica", hanno scritto gli autori.
Recentemente, lo sviluppo dell'editor di basi citosiniche (DdCBE) derivato dalla tossina A del DNA deaminasi a doppio filamento (DddA) ha affrontato questo problema e ha permesso agli scienziati di introdurre modifiche nel genoma mitocondriale utilizzando un sistema indipendente da CRISPR/Cas, ha continuato il gruppo. Per il loro studio appena pubblicato, i ricercatori hanno utilizzato questo strumento DdCBE per modificare una singola lettera nel codice del DNA mitocondriale senza tagliarla.
Il gruppo ha dimostrato di poter generare e correggere efficacemente mutazioni del DNA mitocondriale in diversi tipi cellulari correlati a patologie in laboratorio. "Per esplorare il potenziale dell'applicazione clinica dell'editing genetico del DNA mitocondriale mediato da DdCBE, abbiamo generato e corretto funzionalmente mutazioni patogene in tipi cellulari rilevanti", hanno commentato. In primo luogo, hanno ingegnerizzato cellule epatiche affinché portassero una mutazione mitocondriale che compromette la produzione di energia. "L'introduzione della mutazione m.15150G > A negli organoidi epatici ha portato a linee di organoidi con vari gradi di eteroplasmia e conseguente riduzione della produzione di ATP, fornendo un modello unico per studiare le conseguenze funzionali dei diversi livelli di eteroplasmia di questa mutazione", hanno affermato.
Hanno poi dimostrato di poter correggere una mutazione diversa nelle cellule cutanee prelevate da un paziente affetto dalla sindrome di Gitelman, un disturbo mitocondriale, ripristinando i principali segni di una sana funzione mitocondriale. "La correzione della mutazione m.4291T > C nei fibroblasti derivati dal paziente ha ripristinato il potenziale di membrana mitocondriale", hanno affermato. "Il DdCBE ha generato modifiche sostenibili con elevata specificità e purezza del prodotto."
Per favorire l'utilizzo clinico della terapia, i ricercatori hanno anche testato l'efficacia della somministrazione degli editor di basi mitocondriali in forma di mRNA, anziché di DNA, ed all'interno di nanoparticelle lipidiche. "Per preparare l'applicazione clinica, abbiamo scoperto che l'editing di basi mitocondriali mediato da mRNA ha portato ad una maggiore efficienza e vitalità cellulare rispetto all'editing mediato da DNA", hanno osservato. "Inoltre, abbiamo dimostrato un'efficiente somministrazione degli editor di basi mitocondriali a mRNA utilizzando nanoparticelle lipidiche, che rappresentano attualmente il sistema di somministrazione in vivo non virale più avanzato per prodotti genici".
I ricercatori hanno dimostrato che questi approcci sono più efficienti e meno tossici per le cellule rispetto a metodi più vecchi come i plasmidi a DNA. È importante sottolineare che le modifiche sono state altamente specifiche, con minime alterazioni fuori bersaglio rilevate nel DNA nucleare e molteplici alterazioni rilevate nel DNA mitocondriale.
Gli autori hanno affermato: "I pazienti affetti da malattie mitocondriali non hanno potuto beneficiare della rivoluzione CRISPR per così tanto tempo, ma recentemente è diventata disponibile la tecnologia con cui possiamo finalmente riparare le mutazioni mitocondriali. Nel nostro studio, abbiamo utilizzato questa tecnologia su organoidi epatici umani per generare un modello di malattia mitocondriale. Abbiamo impiegato una tecnica di livello clinico per riparare una mutazione nel DNA mitocondriale di cellule derivate dai pazienti".
E nel loro articolo, i ricercatori hanno concluso: "Sebbene esistano sfide e aree per ulteriori indagini, il potenziale dell'mtBE nella modellazione delle malattie e nei potenziali interventi terapeutici lo rende una strada promettente per la futura ricerca e sviluppo nella medicina mitocondriale".
ENGLISH
In a step toward treating mitochondrial diseases, researchers at the University Medical Center Utrecht and their colleagues have used mitochondrial base editing (mtBE) to successfully edit harmful mutations in mitochondrial DNA. Through their newly reported study, the team, headed by Martijn Koppens, PhD, used the double-stranded DNA deaminase toxin A-derived cytosine base editor (DdCBE) to develop in vitro disease models and assess therapeutic strategies for mitochondrial diseases in primary human cells.
The team suggests the results of their work could offer new hope for people with rare genetic conditions. Koppens and colleagues reported on their findings in PLOS Biology in a paper titled “Correction of pathogenic mitochondrial DNA in patient-derived disease models using mitochondrial base editors.” In their paper, the team said, “In summary, our research demonstrates the effectiveness of mtBE in primary adult human cells, leading to the recovery of mitochondrial function—two critical aspects for further development of mitochondrial gene therapy.”
Mitochondria, sometimes referred to as the powerhouses of the cell, have their own small set of DNA, or mitochondrial genome. Mutations in this mitochondrial DNA can lead to a wide range of maternally inherited diseases, cancer, and aging-related conditions. The development of CRISPR technology has given scientists new ways to correct mutations in nuclear DNA; this system cannot effectively cross the mitochondrial membrane and reach mitochondrial DNA. “This has basically left mitochondrial genetics in a pre-genetic engineering era and mitochondrial patients unable to benefit from advancements in gene correction strategies,” the authors wrote.
Recently, the development of the double-stranded DNA deaminase toxin A (DddA)-derived cytosine base editor (DdCBE) has addressed this problem and allowed scientists to introduce edits in the mitochondrial genome by using a CRISPR/Cas-independent system, the team continued. For their newly reported study, the researchers used this DdCBE tool to change a single letter in the mitochondrial DNA code without cutting it.
The team showed that they could effectively generate and correct mitochondrial DNA mutations in multiple disease-linked cell types in the lab. “To explore the potential of clinical application of DdCBE-mediated mitochondrial DNA gene editing, we generated and functionally corrected pathogenic mutations in relevant cell types,” they commented. First, they engineered liver cells to carry a mitochondrial mutation that impairs energy production. “Introduction of the m.15150G > A mutation in liver organoids resulted in organoid lines with varying degrees of heteroplasmy and correspondingly reduced ATP production, providing a unique model to study functional consequences of different levels of heteroplasmy of this mutation,” they stated.
Then they showed they could fix a different mutation in skin cells taken from a patient with the mitochondrial disorder Gitelman-like syndrome, restoring key signs of healthy mitochondrial function. “Correction of the m.4291T > C mutation in patient-derived fibroblasts restored mitochondrial membrane potential,” they stated. “DdCBE generated sustainable edits with high specificity and product purity.”
To help move the therapy toward clinical use, the researchers also tested the efficacy of delivering the mitochondrial base editors in mRNA form, rather than as DNA, and within lipid nanoparticles for delivery. “To prepare for clinical application, we found that mRNA-mediated mitochondrial base editing resulted in increased efficiency and cellular viability compared to DNA-mediated editing,” they noted. “Moreover, we showed efficient delivery of the mRNA mitochondrial base editors using lipid nanoparticles, which is currently the most advanced non-viral in vivo delivery system for gene products.”
The investigators demonstrated that these approaches are more efficient and less toxic to cells than older methods like DNA plasmids. Importantly, the edits were highly specific, with minimal off-target changes detected in nuclear DNA and multiple detected in mitochondrial DNA.
The authors stated, “Mitochondrial patients have not been able to benefit from the CRISPR revolution for so long, but recently the technology has become available with which we can finally repair mitochondrial mutations. In our study, we used this technology on human liver organoids to generate a mitochondrial disease model. We employed a clinic-grade technique to repair a mutation in the mitochondrial DNA of patient-derived cells.”
And in their paper, the investigators concluded, “While there are challenges and areas for further investigation, the potential of mtBE in disease modeling and potential therapeutic interventions makes it a promising avenue for future research and development in mitochondrial medicine.”
Da:
https://www.genengnews.com/topics/translational-medicine/mitochondrial-base-editing-corrects-pathogenic-mitochondrial-dna-in-patient-derived-disease-models/?_hsenc=p2ANqtz-_mbjOKQ0UT8KjY2y1M7cDQl-lPw5-msmriIqpLD_C9VsVpEPiivxsPg7LYvCV8OMw-IoSK-wvzJbK9p2C9RXKOmp3f8K7EnwHxf_tAFTsRAryapDE&_hsmi=368849139
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