Freiburg, Germany
June 17, 2021
The ability to insert desirable genes into animal or human cells is the basis of modern life science research and of widespread biomedical applications. The methods used to date for this purpose are mostly non-specific, making it difficult for scientists to control which cell will or will not take up a gene. For this gene transfer, the target genes are often packaged into “viral vectors.” These are viruses in which part of the genetic material has been replaced by the target genes. When researchers add these viral vectors to cells, the vectors introduce the genes into the cells. This is the principle behind some of the current SARS-CoV-2 vaccines such as those from AstraZeneca or Johnson&Johnson. However, it is difficult - even impossible - to control into which cells the target genes enter, since the viral vectors tend to dock non-specifically onto all cells of a certain cell type. A team of researchers from the Cluster of Excellence CIBSS - Centre for Integrative Biological Signalling Studies at the University of Freiburg, led by Dr. Maximilian Hörner, Prof. Dr. Wolfgang Schamel and Prof. Dr. Wilfried Weber, has developed a new technology that enables them to introduce target genes in a controlled manner and thereby control processes in individual selected cells. The researchers have published their work in the current issue of Science Advances.
Alteration to a viral vector
In their new method, the Freiburg researchers introduce the genetic information with an optical remote control. As a result, only cells that are illuminated with red light take up the desired genes. To do this, the scientists modified a type of viral vector known as an AAV vector, which is already in clinical use. "We took away the viral vector's ability to dock with cells," Hörner explains, "which is an essential step before the genetic material can be introduced."
To enable this control by light, the researchers have taken a red light photoreceptor system from the plant Arabidopsis thaliana (thale cress). This system consists of two proteins, PhyB and PIF, which bind to each other as soon as PhyB is illuminated with red light. The Freiburg team placed the protein PIF on the surface of the viral vector and modified the other protein PhyB so that it could bind to human cells. Once this modified vector, called OptoAAV, is in a cell culture along with the cell-binding protein, the protein binds to all cells. "If a selected cell is now illuminated with red light, the modified vector can bind to this cell and introduce the target genes into the illuminated cell," Hörner explains.
A key aspect of biological signal research
This new approach allows the researchers to introduce target genes into the desired cells within a tissue culture. The scientists also succeeded in illuminating the tissue culture successively at different locations, thus enabling the targeted introduction of different genes into different cells within a culture. With this technique, it is now possible to control desired processes in individual cells. This is essential for understanding how a single cell communicates with cells in its environment, for example, to control the development or regeneration of an organ. "As these viral vectors become more widely used in the therapeutic field," Weber says, "we think this new technology has the potential to make such biomedical applications more precise."
Cluster of Excellence CIBSS – Centre for Integrative Biological Signalling Studies
Researchers in the Cluster of Excellence CIBSS - Centre for Integrative Biological Signalling Studies at the University of Freiburg are investigating the fundamental communication processes that determine multicellular life in humans, animals and plants. In this way, they aim to gain a higher-level, integrative understanding of biological signaling processes in order to develop tailored molecular tools using methods from synthetic and chemical biology to precisely control signaling processes. In this way, the researchers seek to develop strategies for the treatment of cancer using immunotherapies or for resource-conserving crops production, among other things. Maximilian Hörner and Wolfgang Schamel are group leader in the Cluster of Excellence, Wilfried Weber is a member of the speaker team.
Publication:
Hörner, M., Jerez-Longres, C., Hudek, A., Hook, S., Yousefi, O. S., Schamel, W. W. A., Hörner, C., Zurbriggen, M. D., Ye, H., Wagner, H. J., Weber, W. (2021): Spatiotemporally confined red light-controlled gene delivery at single-cell resolution using adeno-associated viral vectors. In: Science Advances. Vol. 7, No. 25. DOI: 10.1126/sciadv.abf0797
Eine Fernsteuerung für den Gentransfer
Forschende des Exzellenzclusters CIBSS – Centre für Integrative Biological Signalling Studies entwickeln Technologie, um Gene kontrolliert in einzelne Zellen einzubringen
Die Möglichkeit, gewünschte Gene in tierische und menschliche Zellen einzufügen, ist die Grundlage der modernen lebenswissenschaftlichen Forschung sowie von weit verbreiteten biomedizinischen Anwendungen. Die bisher dafür verwendeten Methoden sind zumeist unspezifisch, so dass Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler schwer kontrollieren können, wann welche Zelle ein Gen aufnimmt oder nicht. Für diesen Gentransfer werden die Zielgene häufig in so genannte virale Vektoren verpackt. Das sind Viren, in denen ein Teil des Erbguts durch die Zielgene ersetzt wurden. Wenn Forschende diese viralen Vektoren dann zu Zellen geben, schleusen die Vektoren diese Gene in die Zellen ein, wie es zum Beispiel bei den aktuellen SARS-CoV-2-Impfstoffen der Firmen AstraZeneca und Johnson&Johnson geschieht. Das ist der Punkt, an dem es schwierig bis unmöglich ist, zu kontrollieren, in welche Zellen die Zielgene gelangen, da die viralen Vektoren eher unspezifisch an alle Zellen eines Zelltyps andocken. Ein Team von Forschenden des Exzellenzclusters CIBSS - Centre for Integrative Biological Signalling Studies der Universität Freiburg um Dr. Maximilian Hörner, Prof. Dr. Wolfgang Schamel und Prof. Dr. Wilfried Weber hat eine neue Technologie entwickelt, mit der sie Zielgene kontrolliert einschleusen und dadurch Vorgänge in einzelnen ausgewählten Zellen steuern können. Ihre Arbeit hat das Team in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Science Advances vorgestellt.
Veränderung eines viralen Vektortyps
In ihrer neuen Methode bringen die Freiburger Forschenden die genetischen Informationen mit einer optischen Fernsteuerung ein. Dadurch nehmen nur Zellen, die mit rotem Licht beleuchtet werden, die gewünschten Gene auf. Die Wissenschaftler veränderten dafür einen viralen Vektortyp, einen so genannten AAV-Vektor, der bereits im klinischen Einsatz ist. „Wir haben dem viralen Vektor die Möglichkeit genommen, an Zellen anzudocken“, erklärt Hörner, „was ein essentieller Schritt ist, bevor das Erbgut eingeschleust werden kann.“
Um die Steuerung per Licht zu ermöglichen, haben die Forschenden das Rotlichtrezeptorsystem der Pflanze Arabidopsis thaliana (Acker-Schmalwand) entnommen: Dieses System besteht aus zwei Proteinen, PhyB und PIF, die aneinander binden, sobald PhyB mit roten Licht angeleuchtet wird. Das Freiburger Team brachte das Protein PIF auf die Oberfläche des viralen Vektors und modifizierte das andere Protein PhyB so, dass es an menschliche Zellen binden kann. Sobald sich dieser modifizierte Vektor, der so genannte OptoAAV, zusammen mit dem zellbindenden Protein in einer Zellkultur befindet, bindet das Protein an alle Zellen. „Wird nun eine ausgewählte Zelle mit rotem Licht beleuchtet, kann an diese Zelle der modifizierte Vektor binden und die Zielgene in die beleuchtete Zelle einschleusen“, erläutert Hörner.
Wichtiger Aspekt der biologischen Signalforschung
Durch diesen neuen Ansatz können die Forschenden innerhalb einer Gewebekultur die Zielgene in die gewünschten Zellen einführen. Zudem gelang es ihnen, die Gewebekultur nacheinander an unterschiedlichen Orten zu beleuchten, um somit unterschiedliche Gene in verschiedene Zellen innerhalb einer Kultur gezielt einzubringen. Mit dieser Technik ist es nun möglich, gewünschte Vorgänge in einzelnen Zellen zu steuern: Das ist essentiell, um zu verstehen, wie eine einzelne Zelle mit den Zellen in ihrer Umgebung kommuniziert, um zum Beispiel die Entwicklung oder Regeneration eines Organs zu steuern. „Da solche viralen Vektoren im therapeutischen Bereich immer häufiger verwendet werden“, sagt Weber, „denken wir, dass diese neue Technologie das Potential hat, um solche biomedizinischen Anwendungen präziser zu gestalten.“
Exzellenzcluster CIBSS - Centre for Integrative Biological Signalling
Forscherinnen und Forscher untersuchen im Exzellenzcluster CIBSS - Centre for Integrative Biological Signalling Studies der Universität Freiburg die grundlegenden Kommunikationsprozesse, die das multizelluläre Leben in Mensch, Tier und Pflanze bestimmen. Sie wollen dadurch ein übergeordnetes, integratives Verständnis der biologischen Signalprozesse erhalten, um darauf basierend mit Methoden der synthetischen und chemischen Biologie maßgeschneiderte molekulare Werkzeuge zu entwickeln, mit denen sie Signalprozesse präzise steuern können. Dadurch wollen die Forschenden Strategien unter anderem zur Behandlung von Krebs mittels Immuntherapien oder zum ressourcenschonende Wachstum von Nutzpflanzen entwickeln. Maximilien Hörner und Wolfgang Schamel sind Gruppenleiter im Exzellenzcluster, Wilfried Weber ist Mitglied des Sprecherteams.
Originalpublikation:
Hörner, M., Jerez-Longres, C., Hudek, A., Hook, S., Yousefi, O. S., Schamel, W. W. A., Hörner, C., Zurbriggen, M. D., Ye, H., Wagner, H. J., Weber, W. (2021): Spatiotemporally confined red light-controlled gene delivery at single-cell resolution using adeno-associated viral vectors. In: Science Advances. Vol. 7, No. 25. DOI: 10.1126/sciadv.abf0797
Topics
Species
