T-Zellen sind wilde Krieger. Mit nur einer Andeutung eines Angriffs – sei es eine Infektion oder ein im Entstehen begriffener Krebs – sammeln sie sich, steigen zahlenmäßig an und starten eine umfassende Verteidigung.
Aber sie sind nicht unbesiegbar. Manchmal werden die Zellensoldaten übereifrig und greifen befreundetes Gewebe an. Oder ihre Verteidigung wird von besonders abscheulichen Feinden ausgelöscht, wie z HIV und Krebs.
Können wir ihren Eifer erhöhen oder verringern, indem wir ihre Gene optimieren?
Geben Sie eine neue Art von CRISPR ein. Diese Version – CRISPRa genannt – ist vor allem als Multitool bekannt, um ein vorhandenes Gen zu schneiden, zu schnippeln, zu bearbeiten oder auf andere Weise in die Knie zu zwingen. Es schaltet Gene gewaltsam ein. Optimiert von Wissenschaftlern an den Gladstone Institutes und der UC San Francisco wird das Tool durch CRISPRi – „i“ für „Interferenz“ – ausgeglichen, das, Sie haben es erraten, die Expression des Gens stört.
Obwohl diese CRISPR-Werkzeuge zuvor in unsterblichen Zellen verwendet wurden, die in Labors gezüchtet wurden, werden diese CRISPR-Werkzeuge zum ersten Mal für Zellen neu ausgerichtet, die aus unserem Körper extrahiert wurden. Zusammen haben die Tools gleichzeitig fast 20,000 Gene in aus Menschen isolierten T-Zellen gescreent und so einen massiven genetischen Übersetzer aufgebaut – von den Genen zur Funktion – der abbildet, wie einzelne Gene T-Zellen beeinflussen.
Die Ergebnisse geben einen beispiellosen Einblick in die Protektoren unseres Körpers. Sie legen auch einen Fahrplan für die genetische Veränderung von T-Zellen fest, ob Immuntherapien wie z CAR-T oder um Autoimmunerkrankungen zu bekämpfen.
„Dies ist ein aufregender Durchbruch, der die Immuntherapieforschung beschleunigen wird“, sagte Dr. Alex Marson in Gladstone, der führte die Studie. „Diese CRISPRa-Experimente schaffen einen Rosetta-Stein, um zu verstehen, welche Gene für jede Funktion von Immunzellen wichtig sind.“
Das Immunarsenal
Unser Immunsystem ist ein hochgradig koordinierter zellulärer Militärkomplex.
Genau wie Luft-, See- und Bodentruppen hat auch das Immunsystem spezialisierte zelluläre Einheiten. B-Zellen zum Beispiel setzen Antikörper – die Langstreckenraketen des Körpers – gegen Viren, Bakterien und andere eindringende Krankheitserreger frei. Natürliche Killerzellen jagen Krebszellen rücksichtslos, sobald sie entstehen (und ja, das ist ihr wissenschaftlicher Name). Makrophagen sind gewaltige Bestien, die ihre Feinde buchstäblich auffressen und die restlichen Brocken ausspucken, während sie andere Streitkräfte vor einer Invasion warnen.
Aber wohl T-Zellen sind das Kommandozentrum. Diese Zellen, eine Familie mit unterschiedlichem molekularem Aussehen und Rollen, koordinieren mehrere Aspekte des Immunsystems. Einige sammeln Informationen und zeichnen sie im molekularen Hauptbuch des Körpers auf, um sich auf die nächste Invasionsrunde vorzubereiten. Andere schießen zuvor getroffene Feinde sofort ab. T-Zellen können auch mehrere Angriffe gleichzeitig kontrollieren und koordinieren und sind für das Gleichgewicht der Immunität unerlässlich über Jahrzehnte.
Ihre Geheimwaffe? Zytokine.
Zytokine sind winzige Immunmoleküle, die sowohl als Raketen als auch als Kommunikationsgeräte fungieren. Wie der Morsecode vermitteln verschiedene Arten von Zytokinen unterschiedliche Informationen. T-Zellen sind nicht die einzigen Produzenten von Zytokinen unter den Immunzellen. Aber sie pumpen bedrohlich klingende Zytokine wie Interferone aus, die helfen, einen gemeinsamen Angriff gegen Eindringlinge zu koordinieren.
Das Problem? Was wir über diese leistungsstarken Zellen wissen, stammt hauptsächlich aus Daten von immortalisierten Zelllinien, die sorgfältig ausgewählt wurden, um in Petrischalen zu wachsen. Es ist ein bisschen so, als würde man (hypothetisch) Zombies studieren, um Menschen zu verstehen – einige Ähnlichkeiten, aber große Unterschiede in Bezug auf das biologische Innenleben.
Geben Sie CRISPRa ein
Das Team machte sich mit einem einfachen Ziel auf den Weg: Lassen Sie uns CRISPRa anzapfen, um die riesigen Kommunikationsnetzwerke von T-Zellen herauszufinden.
CRISPRa war eingeführt vor über einem halben Jahrzehnt als eine Möglichkeit, die Genexpression anzuregen, anstatt sie zu hemmen. Hier wird die klassische „Scheren“-Komponente von CRISPR deaktiviert. Stattdessen ist das Werkzeug mit einem Protein verbunden, das die molekulare Maschinerie zur Aktivierung eines Gens rekrutiert und wiederum die Fähigkeit eines Gens verstärkt, Proteine herzustellen, ohne das Gen selbst zu verändern. Als Gegengewicht führten die Autoren auch CRISPRi ein, das inhibitorische Werkzeug zur Unterdrückung der Genexpression. Die Tools wurden als Tour-de-Force angepriesen, um unser gesamtes Genom effizient zu screenen, mit dem Ziel, molekulare Verbindungen zu finden, die zu Gesundheit oder Krankheit führen.
Obwohl die Werkzeuge, die mit einem kastrierten Virus geliefert wurden, in unsterblichen Zellen wirksam waren, konnten sie nicht effizient in vom Körper isolierte menschliche Zellen tunneln – sogenannte „Primärzellen“.
Mit diesen Fragen beschäftigt sich die neue Studie. Das Team entwickelte zunächst ein verbessertes Lentivirus-Produktions- und Abgaberezept, damit die Werkzeuge besser in primäre menschliche T-Zellen integriert werden können. Dann kam ein Spezialagent – der CRISPRa synergistischer Aktivierungsmediator (SAM)– das die Zielgenexpression steigert.
„Diese verbesserte Effizienz beim Einbringen der CRISPRa- oder CRISPRi-Maschinerie in die Zellen war entscheidend, um genomweite Experimente zu ermöglichen und Entdeckungen zu beschleunigen“, sagte Marson.
In einem ersten Machbarkeitsnachweis verwendete das Team das Tool an Immun-T-Zellen, die von zwei menschlichen Spendern isoliert wurden. Zusammen haben sie fast 20,000 Gene aufgedeckt – oder heruntergespielt –, die für Proteine kodieren, wobei sie sich insbesondere auf zwei Zytokine konzentrierten: IL-2 und IFN-Gamma.
Beide sind Schwergewichte im Immunsystem. IL-2 wird normalerweise von einer Art T-Zellen ausgeschüttet. Der molekulare Botenstoff hilft bei der Koordination zusätzlicher Immunarmeen und wird in den Kliniken bereits zur Bekämpfung von Autoimmunerkrankungen und Krebs eingesetzt. IFN-gamma löst eine starke Immunantwort gegen Krankheitserreger aus, und seine Aktivierung korreliert mit „positiven Reaktionen auf die Krebsimmuntherapie“, sagte das Team.
Balance ist der Schlüssel
Das Immunsystem wird durch einen hochkomplexen koordinierten Tanz zwischen Aktivierung und Hemmung reguliert. Frühere Studien konzentrierten sich hauptsächlich auf das Abschalten von Genen. Aber für die Analyse des Immunsystems ist das nur die halbe Miete.
„Das Ausschalten von Genen ist großartig, um die Grundlagen der Funktionsweise von Immunzellen zu verstehen, aber ein nur-aus-Knock-out-Ansatz kann einige wirklich kritische Gene verfehlen“, sagte der Autor der Studie, Dr. Zachary Steinhart.
Hier hat das Team tief gegraben. Unter Verwendung von CRISPRa und CRISPRi aktivierten oder hemmten sie fast 20,000 Gene in T-Zellen. Anschließend analysierten sie die daraus resultierenden Veränderungen in den genetischen Pfaden – den „Telefonleitungen“, die einer T-Zelle mitteilen, wie sie auf einen Feind reagieren soll.
In einigen Screens veränderte sich ein bestimmter Satz von Genen auf ganzer Linie, was darauf hindeutet, dass sie hochsensible Kommandozentralen für unser Immunsystem sein könnten. Andere Gene waren überraschend spezifisch. Einige schalteten sich nur ein, um ein bestimmtes Zytokin zu produzieren.
Die Paarung von CRISPRa und CRISPRi ist eine besonders wirkungsvolle Möglichkeit, die Biologie zu betrachten. Betrachten Sie es als einen Lichtdimmer. Anstelle der traditionellen CRISPR-Methode zum Schneiden des Drahtes können die beiden kombinierten Werkzeuge jede Kombination von Genen reversibel in menschlichen Zellen einstellen oder verringern. In dieser Studie fand das Team unter Verwendung von CRISPRi Gene, die helfen, Zytokine unter Kontrolle zu halten, was bei Autoimmunerkrankungen helfen könnte. CRISPRa wiederum deckte Engpässe in der molekularen Maschinerie auf, die zur Aktivierung von T-Zellen und zur Stärkung der Immunität benötigt wird.
Verbesserte T-Zell-Therapien
Die Studie könnte uns helfen, bessere CAR-T-Waffen gegen Krebs und andere Immuntherapien zu entwickeln. „Unsere neuen Daten liefern uns diese unglaublich reichhaltige Gebrauchsanweisung für T-Zellen“, sagte Marson. „Jetzt haben wir eine grundlegende molekulare Sprache, mit der wir eine T-Zelle so konstruieren können, dass sie sehr präzise Eigenschaften hat.“
Aber noch vielversprechender ist, was dahinter liegt. Die beiden Screens – entweder Erhöhung oder Verringerung der Genexpression in Zehntausenden von Genen nach Lust und Laune – können angepasst werden, um Autoimmunerkrankungen, Immunschwäche oder Infektionen durch gespendete menschliche Zellen zu untersuchen.
Es wird sicherlich ein Segen für personalisierte Behandlungen sein. Wie Marson sagte: „Unser Team hofft nun, unsere neue Bedienungsanleitung zu verwenden, um synthetische Genprogramme zu erstellen, die mit CRISPR in die zellulären Immuntherapien der nächsten Generation zur Behandlung eines breiten Spektrums von Krankheiten eingebaut werden können.“
Bild-Kredit: Sangharsh Lohakare / Unsplash
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