T-celler är hårda krigare. Med bara en antydan om en attack – vare sig det är en infektion eller en begynnande cancer – samlar de sig, ökar i antal och lanserar ett fullskaligt försvar.
Men de är inte oövervinnerliga. Ibland blir de cellulära soldaterna övernitiska och attackerar vänliga vävnader. Eller deras försvar utplånas av särskilt avskyvärda fiender, som HIV och cancer.
Kan vi höja - eller sänka - deras glöd genom att justera deras gener?
Ange en ny typ av CRISPR. Känd mestadels som ett multiverktyg för att skära, klippa, redigera eller på annat sätt knäskåla en befintlig gen, den här versionen – kallad CRISPRa – slår på gener med tvång. Optimerad av forskare vid Gladstone Institutes och UC San Francisco, uppvägs verktyget av CRISPRi - "i" för "interferens", som, du gissade rätt, stör genens uttryck.
Även om de tidigare använts i odödliga celler som odlats i laboratorier, är detta första gången dessa CRISPR-verktyg omformas för celler som utvinns från våra kroppar. Tillsammans screenade verktygen nästan 20,000 XNUMX gener i T-celler isolerade från människor, och byggde en massiv genetisk översättare - från gener till funktion - som kartlägger hur individuella gener påverkar T-celler.
Resultaten ger en oöverträffad inblick i vår kropps beskyddare. De lägger också ut en färdplan för att genetiskt förändra T-celler, oavsett om de ska öka immunterapier som t.ex. VAGN eller för att ta itu med autoimmuna sjukdomar.
"Detta är ett spännande genombrott som kommer att påskynda immunterapiforskningen," sade Dr Alex Marson på Gladstone, som ledde studien. "Dessa CRISPRa-experiment skapar en Rosetta-sten för att förstå vilka gener som är viktiga för varje funktion hos immunceller."
Immunarsenalet
Vårt immunförsvar är ett mycket koordinerat cellulärt militärt komplex.
Precis som luft-, sjö- och markstyrkor har immunsystemet också specialiserade cellulära enheter. B-celler släpper till exempel antikroppar – kroppens långdistansmissiler – mot virus, bakterier och andra invaderande patogener. Naturliga mördare celler jagar hänsynslöst cancerceller så fort de uppstår (och ja, det är deras vetenskapliga namn). Makrofager är massiva djur som bokstavligen äter upp sina fiender och spottar ut de återstående bitarna samtidigt som de larmar andra krafter om en invasion.
Men utan tvekan, T-celler är kommandots centrum. Dessa celler, en familj med olika molekylära utseenden och roller, samordnar flera aspekter av immunsystemet. Vissa samlar in intelligens och registrerar den i kroppens molekylära reskontra för att förbereda sig för nästa omgång av invasioner. Andra prickar omedelbart av tidigare stött på fiender. T-celler kan också kontrollera och koordinera flera attacker samtidigt och är avgörande för att balansera immunitet över decennier.
Deras hemliga vapen? Cytokiner.
Cytokiner är små immunmolekyler som fungerar som både missiler och kommunikationsenheter. Liksom morsekod förmedlar olika typer av cytokiner olika information. T-celler är inte de enda producenterna av cytokiner bland immunceller. Men de pumpar ut hotfulla cytokiner som interferoner, som hjälper till att koordinera en enad attack mot inkräktare.
Problemet? Det vi vet om dessa kraftfulla celler kommer mestadels från data från odödliga cellinjer, som är noggrant utvalda för att växa inuti petriskålar. Det är lite som att (hypotetiskt) studera zombies för att förstå människor – vissa likheter, men väldigt olika när det gäller biologiska inre funktioner.
Ange CRISPRa
Teamet gav sig ut med ett enkelt mål: låt oss utnyttja CRISPRa för att ta reda på T-cellers enorma kommunikationsnätverk.
CRISPRa var introducerade över ett halvt decennium sedan som ett sätt att stimulera, snarare än att hämma, genuttryck. Här är den klassiska "sax"-komponenten av CRISPR avaktiverad. Istället är verktyget kopplat till ett protein som rekryterar det molekylära maskineriet för att aktivera en gen, och i sin tur förstärker en gens förmåga att göra proteiner utan att redigera genen i sig. Som en motvikt introducerade författarna även CRISPRi, det hämmande verktyget för att undertrycka genuttryck. Verktygen utropades som en tour-de-force för att effektivt screena hela vårt genom med målet att hitta molekylära länkar som leder till hälsa eller sjukdom.
Men även om de var effektiva i odödliga celler, kunde verktygen, levererade med ett kastrerat virus, inte effektivt tunnelera in i mänskliga celler isolerade från kroppen – kallade "primära celler".
Det är de frågor som den nya studien behandlade. Teamet utvecklade först ett förbättrat recept för produktion och leverans av lentivirus så att verktygen bättre integrerades i primära mänskliga T-celler. Sedan kom en specialagent — den CRISPRa Synergistic Activation Mediator (SAM)– som ökar målgenuttrycket.
"Denna förbättrade effektivitet i att leverera CRISPRa- eller CRISPRi-maskineriet in i cellerna var avgörande för att möjliggöra genomomfattande experiment och påskynda upptäckter," sa Marson.
I ett första proof of concept använde teamet verktyget på immun-T-celler isolerade från två mänskliga donatorer. Tillsammans visade de upp - eller tonade ner - nästan 20,000 2 gener som kodar för proteiner, speciellt med fokus på två cytokiner: IL-XNUMX och IFN-gamma.
Båda är tunga i immunförsvaret. IL-2 pumpas vanligtvis ut av en typ av T-celler. Den molekylära budbäraren hjälper till att koordinera ytterligare immunförsvarsstyrkor och används redan för att bekämpa autoimmunitet och cancer på klinikerna. IFN-gamma utlöser ett tungt immunsvar mot patogener, och dess aktivering korrelerar med "positiva cancerimmunterapisvar", sa teamet.
Balans är nyckeln
Immunförsvaret regleras av en mycket komplex koordinerad dans mellan aktivering och hämning. Tidigare studier fokuserade mest på att stänga ner gener. Men för att analysera immunförsvaret är det bara halva bilden.
"Att slå ut gener är bra för att förstå grunderna om hur immunceller fungerar, men ett tillvägagångssätt som bara är knock-out kan missa att peka ut några riktigt kritiska gener", säger studieförfattaren Dr Zachary Steinhart.
Här grävde laget djupt. Med både CRISPRa och CRISPRi aktiverade eller hämmade de nästan 20,000 XNUMX gener i T-celler. De analyserade sedan de resulterande förändringarna i genetiska vägar - "telefonlinjerna" som talar om för en T-cell hur den ska svara på en fiende.
På vissa skärmar förändrades en viss uppsättning gener över hela linjen, vilket tyder på att de kan vara mycket känsliga kommandocenter för vårt immunsystem. Andra gener var förvånansvärt specifika. Vissa startade bara för att producera ett visst cytokin.
Att para ihop CRISPRa och CRISPRi är ett särskilt kraftfullt sätt att se på biologi. Se det som en ljusdimmer. Snarare än den traditionella CRISPR-metoden för att klippa tråden, kan de två kombinerade verktygen ställa in eller slå ned valfri kombination av gener reversibelt inuti mänskliga celler. I den här studien, med hjälp av CRISPRi, hittade teamet gener som hjälper till att hålla cytokiner under kontroll, vilket kan hjälpa till med autoimmuna sjukdomar. CRISPRa avslöjade i sin tur flaskhalsar i det molekylära maskineriet som behövs för att aktivera T-celler och öka immuniteten.
Förbättrade T-cellsterapier
Studien kan hjälpa oss att utveckla bättre CAR-T-vapen mot cancer och andra immunterapier. "Våra nya data ger oss den här otroligt rika bruksanvisningen för T-celler," sa Marson. "Nu har vi ett grundläggande molekylärt språk som vi kan använda för att konstruera en T-cell för att ha mycket exakta egenskaper."
Men ännu mer lovande är det som ligger bortom. De två skärmarna – antingen höjer eller sänker genuttrycket i tiotusentals gener på ett infall – kan anpassas för att gräva i autoimmuna sjukdomar, immunbrist eller infektioner från donerade mänskliga celler.
Det kommer säkert att vara en välsignelse för personliga behandlingar. Som Marson sa, "Vårt team hoppas nu kunna använda vår nya bruksanvisning för att skapa syntetiska genprogram som kan CRISPR-konstrueras till nästa generations cellulära immunterapier för att behandla ett brett spektrum av sjukdomar."
Image Credit: Sangharsh Lohakare / Unsplash
Letar du efter sätt att ligga steget före förändringstakten? Tänk om vad som är möjligt. Gå med i en mycket kurerad, exklusiv kohort av 80 chefer för Singularitys flaggskepp Executive Program (EP), ett femdagars, helt uppslukande ledarskapstransformationsprogram som stör befintliga sätt att tänka. Upptäck ett nytt tänkesätt, verktygsuppsättning och nätverk av andra futurister som är engagerade i att hitta lösningar på den snabba förändringstakten i världen. Klicka här för att lära dig mer och ansök idag!
