2023 September - Joana Ferreira da Silva und Goncalo Oliveira

Dr.in Joana Ferreira da Silva und Dr. Gonçalo Oliveira

MedUni Wien RESEARCHER OF THE MONTH, September 2023

Die Jury „Researcher of the Month” verleiht die Auszeichnung für diesen Monat Dr.ⁱⁿ Joana Ferreira da Silva und Dr. Gonçalo Oliveira anlässlich der Veröffentlichung der Arbeit "Prime Editing efficiency and fidelity are enhanced in the absence of mismatch repair" [1] im Top-Journal "Nature Communications" (IF 17.694). Die Studie wurde in der Forschungsgruppe von Dr.ⁱⁿ Joanna Loizou am Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (CeMM) und am Zentrum für Krebsforschung der Medizinischen Universität Wien durchgeführt.

Erforschung des DNA-Reparaturmechanismus soll Genom-Editierung verbessern

Seit der Erfindung von CRISPR/Cas9, auch bekannt als "Genschere"[2], arbeiten Wissenschaftler:innen weltweit an der Verbesserung der revolutionären Technik zur Veränderung der DNA, für die Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna 2020 den Nobelpreis erhielten. Die Methode ermöglicht eine tiefgreifende Erforschung des menschlichen Genoms und eröffnet ein enormes Potenzial für die Behandlung genetischer Krankheiten. Da die CRISPR/Cas9-Technologie noch ungenau ist und unvorhersehbare Genomveränderungen verursachen kann, besteht ein starker Fokus auf Forschung an präziseren Weiterentwicklungen der Technologie.

Die kürzlich in der Fachzeitschrift "Nature Communications" veröffentlichte Studie befasst sich mit der Frage, wie Prime Editing, eine ebendieser Techniken neuerster Generation, die eine größere Zielgenauigkeit bei der Durchführung von DNA-Veränderungen verspricht, noch präziser und effizienter werden kann [3]. Durchgeführt wurde die Studie von der Forschungsgruppe von CeMM Adjunct Principal Investigator Joanna Loizou, Principal Investigator und Gruppenleiterin am Zentrum für Krebsforschung der MedUni Wien und Mitglied des Comprehensive Cancer Center (CCC) der MedUni Wien und des AKH Wien.

Deaktivierung von "Mismatch Repair"

Prime Editing ist ein leistungsfähiges Genom-Engineering-Werkzeug, das den Austausch, das Einfügen und das Entfernen von DNA-Sequenzen im Genom ermöglicht [4]. Allerdings war die Effizienz der Methode bisher sehr unterschiedlich und hängt nicht nur von der anvisierten Genomregion, sondern auch vom genetischen Hintergrund der editierten Zelle ab. Die Studienautoren Joana Ferreira da Silva, Doktorandin am CeMM, und Gonçalo Oliveira, PostDoc am Zentrum für Krebsforschung der Medizinischen Universität Wien, untersuchten Faktoren, die den Erfolg von Prime Editing beeinflussen und nahmen dabei die zelleigenen DNA-Reparaturprozesse unter die Lupe. Diese zellulären Mechanismen spielen eine wesentliche Rolle beim Genome Editing.

Die Wissenschaftler:innen erklären: "Je nach Art des DNA-Schadens verfügt eine Zelle über unterschiedliche zelluläre Reparaturmechanismen. Um herauszufinden, welche davon beim Prime Editing aktiv und relevant werden, haben wir ein gezieltes genetisches Screening von DNA-Reparaturfaktoren durchgeführt, das alle bekannten Reparaturwege abdeckt. Nur so können wir herausfinden, welchen Einfluss diese Reparaturmechanismen auf unser Editing haben."

Studienleiterin Joanna Loizou fügt hinzu: "Unsere Ergebnisse zeigen, dass der DNA-Reparaturmechanismus 'Mismatch Repair’, der aktiv wird, wenn vereinzelte falsche Basen-Paare im Genom auftreten, maßgeblich für die Editierung durch Prime Editing ist. Je nach Zelllinie, Art und Ort des durchzuführenden Editings, können wir die Effizienz des Prime Editing um das 2- bis 17-fache steigern, indem wir die 'Mismatch-Reparatur' ausschalten." In der Studie zeigte sich am Ort des Genome Editing eine Anhäufung von MLH1 und MSH2 Proteinen, die am Mismatch-Repair-Prozess beteiligt und jeweils für die Erkennung und Entfernung der falschen Base verantwortlich sind.

Wissenschaftliches Umfeld

Diese Studie wurde ursprünglich am CeMM initiiert, der Großteil der Experimente wurde jedoch am Zentrum für Krebsforschung der Medizinischen Universität Wien durchgeführt. Die Zusammenarbeit zwischen den beiden Einrichtungen war für das Projekt von großem Nutzen. Darüber hinaus war die Anschaffung eines Spinning-Disk-Mikroskops durch das Zentrum für Krebsforschung an der Medizinischen Universität Wien von entscheidender Bedeutung, um die Stellen des Prime Editing in menschlichen Zellen mit noch nie dagewesenen Details sichtbar zu machen. Die enge Zusammenarbeit mit Dr. Josef Jiricny, einem Experten auf dem Gebiet der DNA-Reparatur von der ETH Zürich in der Schweiz, ermöglichte einen tiefen Einblick in die molekularen Mechanismen der MMR und in die Art und Weise, wie der Mismatch-Repair-Weg die DNA Veränderungen beeinflusst, die während des Prime Editings stattfinden.

Zur Person

Dr.ⁱⁿ Joana Ferreira da Silva studierte Molekularbiologie an der Universität Lissabon, Portugal, und schloss ihr Master-Studium am iMM Lisboa, Portugal, ab. Joana promovierte 2022 am CeMM unter der Leitung von Dr.ⁱⁿ Joanna Loizou und ist derzeit EMBO-Postdoktorandin an der Harvard Medical School und am Massachusetts General Hospital (Boston, USA) unter der Leitung von Dr. Benjamin Kleinstiver.

Dr. Goncalo Oliveira studierte Molekularbiologie an der Universität Lissabon, Portugal, und schloss sein Masterstudium am Instituto de Tecnologia Quimica e Biologica, ebenfalls in Lissabon, Portugal, ab. Anschließend promovierte er am MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge, UK, und arbeitete danach als Postdoktorand im Loizou-Labor an der Medizinischen Universität Wien. Derzeit setzt Gonçalo seine Postdoktorandenforschung am Institut für Molekulargenetik in Prag, Tschechische Republik, mit Unterstützung von EMBO und der Stipendienagentur der Tschechischen Republik fort.

Ausgewählte Literatur

1. Ferreira da Silva, J.*, Oliveira, G.P*, Arasa-Verge, E.A., Kagiou, C., Moretton, A., Timelthaler, G., Jiricny, J. & Loizou, J.I. Prime editing efficiency and fidelity are enhanced in the absence of mismatch repair. Nature Communications 13, 760 (2022) *geteilte ErstautorInnen

2. Jinek, M., Chylinski, K., Fonfara, I., Hauer, M., Doudna, J.A. & Charpentier, E. A Programmable Dual-RNA–Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity. Science 337, 816-821 (2012)

3. Ferreira da Silva, J., Salic, S., Wiedner, M., Datlinger, P., Essletzbichler, P., Hanzl, A., Superti-Furga, G., Bock, C., Loizou, J.I. Genome-scale CRISPR screens are efficient in non-homologous end-joining deficient cells. Scientific Reports 9, 15751 (2019)

4. Anzalone, A.V., Randolph, P.B., Davis, J.R., Sousa, A.A., Koblan, L.W., Levy, J.M., Chen, P.J., Wilson, C., Newby, G.A., Raguram, A., Liu, D. Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA. Nature 576, 149–157 (2019)