University Division/Office
Potenzial und Herausforderungen der Genomchirurgie mit CRISPR
- in der biomedizinischen Grundlagenforschung- in der Medizin
R. Bachmann-Gagescu, Dr. Med.FMH Pädiatrie und FMH Medizinische Genetik
SNSF-Förderungsprofessorin
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
University Division/OfficeInstitut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
Vielfalt von spezialisierten Zellarten
University Division/OfficeInstitut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
Der genetische Code
}Ser
ist universel!
A = adeninT = thymin
C = cytosinG = guanin
http://biosocialmethods.isr.umich.edu/
RNA
Aminosäuren-Kette (Peptid)
University Division/Office
Konsequenzen einer Punktmutation
http://biosocialmethods.isr.umich.edu/
Phänotyp
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
}Leu
University Division/OfficeInstitut für Medizinische Genetik und Institute for Molecular Life Sciences
http://biosocialmethods.isr.umich.edu/
X X
Phänotyp
}STOP
Konsequenzen einer Punktmutation
University Division/OfficeInstitut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
>20’000 Gene (jeweils in 2 Kopien)23 Paare Chromosome
Das menschliche Genom
University Division/OfficeInstitut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
Prof Stylianos Antonarakis
University Division/Office
XX Phänotyp/Erscheinungsbild
Gen
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
Konsequenzen einer Punktmutation
University Division/Office
XX Phänotyp/Erscheinungsbild
Gen
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
Korrektur einer Punktmutation?
University Division/Office
Prinzip der Genomchirurgie mit CRISPR
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
University Division/Office
Prinzip der Genomchirurgie mit CRISPR
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
= Nuklease
University Division/Office
Prinzip der Genomchirurgie mit CRISPR
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
= Nuklease
Leit-RNA =
University Division/Office
Prinzip der Genomchirurgie mit CRISPR
präzis kontrollierte Veränderung der
Gensequenz
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
= Nuklease
Leit-RNA =
+ Schablone
University Division/Office
Prinzip der Genomchirurgie mit CRISPR
«ungenaue» Störung der Genfunktion
präzis kontrollierte Veränderung der
Gensequenz
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
= Nuklease
Leit-RNA =
+ Schablone
University Division/Office
Nukleasen sind schon seit langem benützt… Was ist anders?
Vorteile des CRISPR/Cas Systems
¾ Erkennung der Zielregion in der DNA durch spezifische RNA vermittelt und nicht durch einen Proteinteil
Æ viel einfacher, schneller und billiger
Æ sehr effiziente Nuklease
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
Kyoto Platform for Genetically Modified Rats
University Division/Office
“Molecular biologists are riding a wave of new technologies made possible by CRISPR.” Nature, Views Forum March 2016
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
University Division/Office
Anwendungen der Genomchirurgie
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
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Krankheitsmodelle für Pathogeneseforschung1. Monogene Erkrankungen
NHEJHDR
Knock-outSpezifischeSequenzvariante
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
University Division/Office
Ziliopathien
- Gruppe von genetischen Erkrankungen
- Kann +/- alle Organe betreffen
Goetz and Anderson, Nat reviews 2010
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
University Division/Office
Ziliopathien
Goetz and Anderson, Nat reviews 2010
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
Joubert Syndrom
ÆKleinhirnmissbildung, zystische
Nierenerkrankung, Retinitis, Polydacytlie
Æ Verschiedene ursachliche Gene
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Primäre Zilien - Auf der Oberfläche von allen Zellen- Dienen als “Antennae”: Signalübertragung
Bachmann-Gagescu et al., 2011
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
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Modelle: Zebrafischwildtyp
Zilienmutant
- Zebrafische haben dieselben
Ziliengene
- Mutanten haben ähnliche
Symptome :
- Nierenzysten und
Netzhautdystrophie
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
Bachmann-Gagescu et al., 2011
University Division/Office
Das äussere Segment von Photorezeptoren ist ein spezialisiertesprimäres Zilium Zilienmutant
Zilienmutant
wt
wt
Bachmann-Gagescu et al., 2011
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
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CC2D2A führt zu Retinitis durch ein Defekt in Membrantransport in Photorezeptoren
wt Zilienmutant
Institut für Medizinische Genetik
Bachmann-Gagescu et al., 2011Ojeda Naharros et al., 2017
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
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CC2D2A führt zu Retinitis durch ein Defekt in Membrantransport in Photorezeptoren
Institut für Medizinische Genetik
Ojeda Naharros et al., 2017
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
University Division/Office
Krankheitsmodelle für Pathogeneseforschung1. Monogene Erkrankungen
NHEJHDR
Knock-outSpezifischeSequenzvariante
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
University Division/Office
Krankheitsmodelle für Pathogeneseforschung2. Komplexe genetische Erkrankungen
X
X
X
XPhänotyp
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
University Division/Office
Anwendungen der Genomchirurgie
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
University Division/Office
Zellkultur/ iPSC- Induced pluripotent stem cells
differenzierte Zellen
pluripotente Zellen
pluripotenzielle Zellen
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
- Zur Pathogenese Forschung- Zur Therapie?
University Division/Office
Anwendungen der Genomchirurgie
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
University Division/Office
Anwendungen der Genomchirurgie
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
http://www.genome.gov/glossary/
University Division/Office
Theoretische Anwendungen für Gentherapie
Institut für Medizinische Genetik und Institute for Molecular Life Sciences
Genomchirurgie «ex vivo»Genomchirurgie «in vivo»
Anwendungen der Genomchirurgie beigenetischen Erkrankungen
University Division/Office
Praktische Einschränkungen und offene Fragen
Genomchirurgie «ex vivo»Genomchirurgie «in vivo»
1. «Off-target» Effekte?Spezifizität der Nuklease? Von der Zielregion abhängig?
2. Mosaik?Heterogene Zellpopulationen
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
3. Konsequenzen der geplanten Genveränderung?
4. Lebenszeit und Funktion der korrigierten Zellen imGewebe?
Anwendungen der Genomchirurgie beigenetischen Erkrankungen
University Division/Office
Theoretische Anwendungen für Gentherapie
Institut für Medizinische Genetik und Institute for Molecular Life Sciences
Genomchirurgie «ex vivo»
Anwendungen der Genomchirurgie beigenetischen Erkrankungen
University Division/Office
Therapien mit CRISPR- Zukunft in der Klinik?Genomchirurgie «ex vivo»: Für monogene Erkrankungen
- Sichelzellanämie (HBB p.E6V)
2015
- Thalassemie (HBB)
2016
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
Wikipedia
Anwendungen der Genomchirurgie beigenetischen Erkrankungen
University Division/Office
Genomchirurgie «in vivo»: Für monogene Erkrankungen
- Mausmodell für TyrosinämieKorrektur des mutierten Genes “in situ”Æ gesundes Gen wird hergestellt.
(Genome editing with Cas9 in adult mice corrects a disease mutation and phenotype. Yin et al, Nat Biotech 2014.)
(2014: <1% der Hepatozyten konnten das korrigierte Gen exprimieren2016: 6% der Hepatozyten konnten das korrigierte Gen exprimieren)
- Mausmodell für Duchenne muskuläre DystrophieAusschneiden des Exons, das die Mutation enthältÆ inkomplettes Gen wird hergestellt.
(Postnatal genome editing partially restores dystrophin expression in a mouse model of muscular dystrophy. Long et al, Science 2016.)
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
Therapien mit CRISPR- Zukunft in der Klinik?
Anwendungen der Genomchirurgie beigenetischen Erkrankungen
University Division/Office
Genomchirurgie «in vivo»: Für monogene Erkrankungen
- Mausmodell für TyrosinämieKorrektur des mutierten Genes “in situ”Æ gesundes Gen wird hergestellt.
(Genome editing with Cas9 in adult mice corrects a disease mutation and phenotype. Yin et al, Nat Biotech 2014.)
(2014: <1% der Hepatozyten konnten das korrigierte Gen exprimieren2016: 6% der Hepatozyten konnten das korrigierte Gen exprimieren)
- Mausmodell für Duchenne muskuläre DystrophieAusschneiden des Exons, das die Mutation enthältÆ inkomplettes Gen wird hergestellt.
(Postnatal genome editing partially restores dystrophin expression in a mouse model of muscular dystrophy. Long et al, Science 2016.)
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
Therapien mit CRISPR- Zukunft in der Klinik?
Anwendungen der Genomchirurgie beigenetischen Erkrankungen
X
University Division/Office
Genomchirurgie «in vivo»: Für monogene Erkrankungen
- Mausmodell für TyrosinämieKorrektur des mutierten Genes “in situ”Æ gesundes Gen wird hergestellt.
(Genome editing with Cas9 in adult mice corrects a disease mutation and phenotype. Yin et al, Nat Biotech 2014.)
(2014: <1% der Hepatozyten konnten das korrigierte Gen exprimieren2016: 6% der Hepatozyten konnten das korrigierte Gen exprimieren)
- Mausmodell für Duchenne muskuläre DystrophieAusschneiden des Exons, das die Mutation enthältÆ inkomplettes Gen wird hergestellt.
(Postnatal genome editing partially restores dystrophin expression in a mouse model of muscular dystrophy. Long et al, Science 2016.)
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
Therapien mit CRISPR- Zukunft in der Klinik?
Anwendungen der Genomchirurgie beigenetischen Erkrankungen
X
University Division/Office
Anwendungen der Genomchirurgie
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
InfektiologieOnkologie
Anwendungen der Genomchirurgie beiNICHT primär genetischen Erkrankungen
University Division/Office
Genomchirurgie «ex vivo»
� Für nicht primär genetische Erkrankungen : Onkologie
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
Therapien mit CRISPR- Zukunft in der Klinik?
Anwendungen der Genomchirurgie beiNICHT primär genetischen Erkrankungen
University Division/Office
Genomchirurgie «ex vivo»
� Für nicht primär genetische Erkrankungen : Onkologie
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
Therapien mit CRISPR- Zukunft in der Klinik?
Checkpoints
Zellzyklus
Checkpoints Checkpoints
Anwendungen der Genomchirurgie beiNICHT primär genetischen Erkrankungen
University Division/Office
Genomchirurgie «ex vivo»
� Für nicht primär genetische Erkrankungen : Onkologie
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
Therapien mit CRISPR- Zukunft in der Klinik?
Anwendungen der Genomchirurgie beiNICHT primär genetischen Erkrankungen
Zellzyklus
University Division/Office
Genomchirurgie «ex vivo»
� Für nicht primär genetische Erkrankungen : Onkologie
- Pro-Krebs Gene im Tumor still legen
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
Therapien mit CRISPR- Zukunft in der Klinik?
Zellzyklus
Anwendungen der Genomchirurgie beiNICHT primär genetischen Erkrankungen
University Division/Office
Genomchirurgie «ex vivo»
� Für nicht primär genetische Erkrankungen : Onkologie
- Immunsystem gegen Krebszellen stärken
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
Therapien mit CRISPR- Zukunft in der Klinik?
Anwendungen der Genomchirurgie beiNICHT primär genetischen Erkrankungen
XX
X
University Division/Office
Genomchirurgie «ex vivo»
� Für nicht primär genetische Erkrankungen : Onkologie
- Immunsystem gegen Krebszellen stärken
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
Therapien mit CRISPR- Zukunft in der Klinik?
Anwendungen der Genomchirurgie beiNICHT primär genetischen Erkrankungen
XX
X
University Division/Office
Genomchirurgie «ex vivo»
� Für nicht primär genetische Erkrankungen: Inketiologie
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
Therapien mit CRISPR- Zukunft in der Klinik?
Anwendungen der Genomchirurgie beiNICHT primär genetischen Erkrankungen
HIV Lymphozyten
University Division/Office
Genomchirurgie «ex vivo»
� Für nicht primär genetische Erkrankungen: Inketiologie
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
Therapien mit CRISPR- Zukunft in der Klinik?
Anwendungen der Genomchirurgie beiNICHT primär genetischen Erkrankungen
University Division/Office
Genomchirurgie «ex vivo»
� Für nicht primär genetische Erkrankungen: Inketiologie
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
Therapien mit CRISPR- Zukunft in der Klinik?
Anwendungen der Genomchirurgie beiNICHT primär genetischen Erkrankungen
CCR5
University Division/Office
Genomchirurgie «ex vivo»
� Für nicht primär genetische Erkrankungen: Inketiologie
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
Therapien mit CRISPR- Zukunft in der Klinik?
Anwendungen der Genomchirurgie beiNICHT primär genetischen Erkrankungen
University Division/Office
Genomchirurgie «ex vivo»
� Für nicht primär genetische Erkrankungen: Inketiologie
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
Therapien mit CRISPR- Zukunft in der Klinik?
Anwendungen der Genomchirurgie beiNICHT primär genetischen Erkrankungen
University Division/Office
Genomchirurgie «ex vivo»
� Für nicht primär genetische Erkrankungen: Inketiologie
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
Therapien mit CRISPR- Zukunft in der Klinik?
Anwendungen der Genomchirurgie beiNICHT primär genetischen Erkrankungen
University Division/Office
Klinische Studien mit CRISPR Nukleasen-Voraussetzungen
1. Safety first: - Off-target Effekte erläutern und vermindern
2. Effizienz: Technische Aspekte (von der genauen Situation abhängig…)
- Ex-vivo Anwendungen: Zellentnahme und Einführung, Selektion der optimalen korrigierten Zelllinie und Qualitätskontrolle, …
- In-Vivo Anwendungen: Einführungsmethode des CRISPR/Cas9 Systems und Effizienz, Mosaik, Lebensdauer der korrigierten Zellen/der Korrektur,…
3. Ethische Aspekte
Anwendungen der Genomchirurgie
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
University Division/Office
Erste klinische StudienInstitut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
University Division/Office
Erste klinische Studien
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
University Division/Office
Somatische Zellen
Ethische Aspekte
Nature, March 2015
Theoretische Möglichkeit, das Genom jedes Lebewesens auf Wunsch zu ändern
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
Keimbahn
University Division/Office
Ethische Aspekte
Mögliche Anwendungen� Auf somatischen Zellen:- Gentherapie bei monogenen
Erkrankungen- Therapien für Krebs, virale
oder parasitäre Erkrankungen
Ethische Fragen- Sicherheit- Effizienz- Wirtschaftlichkeit- Finanzielle Ungerechtigkeit
Anwendungen der Genomchirurgie
Nature, March 2015
Theoretische Möglichkeit, das Genom jedes Lebewesens auf Wunsch zu ändern
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
University Division/Office
Ethische Aspekte
Mögliche Anwendungen� Auf Keimzellen:- Korrektur vererbarer
Mutationen pränatal- Wunschbabies und «Enhanced
humans»???
Ethische Fragen- Sicherheit- Effizienz- Wirtschaftlichkeit- Finanzielle Ungerechtigkeit- Gesellschaftlicher Druck- Einfluss auf die Integration für
Menschen mit Behinderungen in der Gesellschaft
- Unser Verständnis des Genoms ist noch begrenzt
- Sind wir nur die Summe unserer Gene?
Anwendungen der Genomchirurgie
Nature, March 2015
Theoretische Möglichkeit, das Genom jedes Lebewesens auf Wunsch zu ändern
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
University Division/Office
Ethische Aspekte
Nature, March 2015
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
University Division/Office
Rechtliche Aspekte- Dezember 2015:
Internationale Konferenz der amerikanischen, englischen und chinesischenwissenschaftlichen Akademien:
“Gene-editing technology should not be used to modify human embryos that are intended for use in establishing a pregnancy”
- ESHG public and professional policy group article (Howard et al, 2017):
Nature News feature, October 2015
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
University Division/Office
Gesellschaftliche Entscheidungen
«Generation game»: today’s decisionsshape tomorrow’s world
Nature editorial 2016
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
University Division/Office
Genomchirurgie mit CRISPR/Cas
- Hoch effiziente und “einfache” Technologie, die es erlaubt das Erbgut zuverändern
- Gezielte präzise Veränderungen sind bisher noch schwierig zu erreichen; Genfunktionstörung ist sehr effizient erreichbar
- Mögliche Anwendungen zur Behandlung von genetischen Erkrankungen:
- “ex vivo” vs “in vivo”
- erste Erfolge in präklinischen Studien bei ex vivo Studien(Hämatologie)
- Mögliche Anwendungen zur Behandlung anderer Erkrankungen:
- Onkologie/ Infektiologie
- Klinische Studien schon im Gange
- Ethische Debate hauptsächlich über den Eingriff auf die Keimbahn
Institut für Medizinische Genetik und Institut für Molekularbiologie
University Division/OfficeInstitut für Medizinische Genetik und Institute for Molecular Life Sciences
University Division/Office
Klinische Studien mit Nukleasen
Institut für Medizinische Genetik und Institute for Molecular Life Sciences
Anwendungen der Genomchirurgie
Sangamo BioSciences Presents Phase 2 Clinical Data From Two SB-728-T HIV StudiesPreliminary Data Suggest Adenoviral Delivery Method Superior for Immune Stimulation and Control of Viral Load in the Absence of Antiretroviral Therapy (ART)Two of Three Subjects Remain Off ART for More Than One YearRICHMOND, Calif., Dec. 11, 2015 /PRNewswire/ -- Sangamo BioSciences, Inc. (Nasdaq: SGMO), the leader in therapeutic genome editing, announced the presentation of Phase 2 data from two of the Company's ongoing clinical trials (SB-728-1101 Cohort 3* and SB-728-mR-1401) of SB-728-T, which is being developed for the functional control of HIV/AIDS. The preliminary comparative data suggest that adenoviral delivery of zinc finger nucleases (ZFNs) to T-cells may be uniquely immune-stimulatory for both acute control of infection, and importantly, HIV reservoir reduction.
University Division/Office
Zellkultur/ iPSC
Institut für Medizinische Genetik und Institute for Molecular Life Sciences
Anwendungen der Genomchirurgie
Study diseasemechanism
modified from Robinton and Daily, Nature 2012
University Division/Office
Praktische Einschränkungen und offene Fragen
Institut für Medizinische Genetik und Institute for Molecular Life Sciences
Genomchirurgie «ex vivo»
Wie kann man die für die Erkrankung relevanten Zellen entnehmen und wieder einführen?
Anwendungen der Genomchirurgie beigenetischen Erkrankungen
University Division/Office
Praktische Einschränkungen und offene Fragen
Institut für Medizinische Genetik und Institute for Molecular Life Sciences
Genomchirurgie «ex vivo»
Wie effizient ist die Differenzierung und die Funktion der modifizierten Zellen?
Anwendungen der Genomchirurgie beigenetischen Erkrankungen
University Division/Office
Praktische Einschränkungen und offene Fragen
Institut für Medizinische Genetik und Institute for Molecular Life Sciences
Genomchirurgie «ex vivo»Genomchirurgie «in vivo»
Welche Effizienz braucht man für eine klinische Besserung/ Heilung?Was sind die Konsequenzen einer Mosaik?
Anwendungen der Genomchirurgie beigenetischen Erkrankungen