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Multi-input synthetic gene circuits: reduction to practice

Applicant Benenson Yaakov
Number 175760
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Computational Systems Biology Department of Biosystems, D-BSSE ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Molecular Biology
Start/End 01.08.2018 - 31.07.2022
Approved amount 911'292.00
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Keywords (5)

Systems Biology; Synthetic biology; Cell targeting; Cancer; Gene Circuits

Lay Summary (German)

Lead
Genschaltkreise für die biomedizinischen Anwendungen
Lay summary
Synthetische Genschaltkreise sind die nächste Hürde im Bereich der rationalen Manipulation lebender Systeme. Diese artifiziellen Schaltkreise umfassen mehrere genetisch veränderte Gene, die miteinander und mit ihrer biologischen Umgebung interagieren, wie beispielsweise einer Zelle oder einem lebenden Organismus, in dem sie operieren. Im Vergleich zu traditionellen Ansätzen ermöglicht dies eine höhere Komplexität und Ausgereiftheit der Aufgaben, die ausgeführt werden können. Unsere Gruppe hat kürzlich eine Familie von Säuger-Gen-Schaltkreisen entwickelt, die wir "Zellklassifikatoren" nennen. Wir haben zwei eigenständige Ansätze demonstriert, um eine UND-Logik zwischen miRNA- und Transkriptionfaktoren (TF)-Eingaben zu implementieren und die Schaltkreise in immortalisierten Zelllinien in vitro getestet. Der Weg zur Etablierung dieser Ansätze in der klinischen Praxis ist jedoch immer noch weit. Dieser Projekt befasst sich mit einer Reihe von Schlüsselfragen, die den Übergang von bisherigen Entwicklungen zu zukunftsfähigen Lösungen für unerfüllte medizinische Bedürfnisse näher bringen werden.

Häufig umfassen die zum Targeting ausgewählten Zellen heterogene Populationen, wie es bei Tumoren immer der Fall ist. Daher müssen die Schaltungen so programmiert werden, dass sie auf mehrere Klone zielen, welche nicht überlappende Mengen von miRNAs und TFs exprimieren. Die Heterogenität kann mit der ODER-Logik adressiert werden, wobei eine Antwort durch eine Anzahl unterschiedlicher Eingangskombinationen ausgelöst werden kann. Der Erfolg in diesem Ziel wird zu einer umfassenden Plattform für das Targeting heterogener Zellpopulationen führen. Ein weiterer wichtiger Aspekt der in vivo-Implementierung ist die Wechselwirkung zwischen Schaltungskomponenten und dem Immunsystem des Wirtsorganismus. Synthetische Schaltungen beruhen auf nicht-humanen Proteinkomponenten, um in relativer Isolation von den endogenen Prozessen zu operieren. Diese Komponenten können jedoch eine zytotoxische T-Zell-Reaktion auslösen, was zur Zelleliminierung und entweder zum Verlust einer beabsichtigten Funktion oder zur systemischen Toxizität führt. Wir schlagen eine Reihe von Mechanismen vor, um die langfristige Expression der nicht-humanen Komponenten zu eliminieren, ohne die Schaltungsfunktion zu verändern. Die entwickelten Ansätze werden unter Verwendung heterogener Zellpopulationen getestet, die den Primärzellen maximal ähneln. Wir werden primäre menschliche Zellen und Zellen, die von Krebspatienten gewonnen wurden, verwenden und die Schaltkreise auf solche heterogenen Populationen anpassen.  Der Erfolg dieses Plans werden die Genschaltkreise in greifbare Nähe biomedizinischer Anwendungen im Kampf gegen Krebs und genetischer Erkrankungen bringen. Es wird sich mit den kritischen Fragen der Schaltkreisfunktion in heterogenen Primärzellen und der Immunogenität von Schaltkreisen beschäftigt und dabei die Wissensbasis der synthetischen Biologie erweitert.
Direct link to Lay Summary Last update: 30.07.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
182969 Next generation advanced therapies for fight ß-hemoglobinopathies via rational intervention in ?-globin regulatory network 01.08.2019 Bilateral programmes

Abstract

Synthetic gene circuits are the next frontier in rational manipulation of living systems. These artificial pathways comprise multiple engineered genes that interact with each other and with the biological host, such as a cell or a living organism, in which they operate. Compared with the traditional approaches, this enables higher complexity and sophistication of the tasks that can be accomplished. Our group has recently developed a family of mammalian gene circuits we call “cell classifiers”. These circuits can be programmed to detect multiple endogenous cellular inputs, namely microRNA (miRNA) or transcription factors (TFs), and integrate them in order to report on or respond to specific cell phenotypes. The ability to process multiple inputs is critical for selective targeting, because single molecular inputs are usually insufficient to distinguish between phenotypes that are supposed to be targeted and those that are not. For example, if particular tumor cells are known to overexpress miRNAs miR-21 and miR-23a, only a multi-input circuit can be programmed to destroy cells that have this miRNA signature without harming other cells. We say that such a circuit “computes” a logic function “miR-21 AND miR-23a”. We have shown two separate approaches to implement AND logic between miRNA and TF inputs, respectively, and tested the circuits in immortalized cell lines in vitro. However, the path to adoption of these approaches in clinical practice is still long. This proposal addresses a number of key questions that will bring closer the translation of the hitherto developments into viable solutions to unmet medical needs.Often the cells selected for targeting comprise heterogeneous populations, as is always the case with tumors. Therefore the circuits must be programmed to target multiple clones expressing non-overlapping sets of miRNAs and TFs. Heterogeneity can be addressed using the OR logic, whereby a response can be triggered by a number of different input combinations. Thus Aim 1 of this proposal is the development of circuits that (1) robustly combine AND with OR logic; and (2) use the same design framework to address both miRNA and transcriptional inputs. Success in this Aim will lead to a comprehensive platform for targeting heterogeneous cell populations. Another important aspect of in vivo implementation is the interaction between circuit components and the host immune system. Synthetic circuits rely on non-human protein components in order to operate in relative isolation from the endogenous processes. However, these components may trigger cytotoxic T-cell response, resulting in cell elimination and either a loss of an intended function or systemic toxicity. We propose a number of mechanisms to eliminate long-term expression of the non-human components without altering circuit function. This is the main objective of Aim 2.The approaches developed in Aims 1 and 2 will be tested in Aim 3 using heterogeneous cell populations maximally resembling primary cells. We will use primary human cells and cells obtained from cancer patients and tailor the circuits to target such heterogeneous populations. We will obtain and generate sufficient quantities of primary and tumor cells, profile them using both next-generation sequencing and functional fluorescence-based genetic reporters, apply our algorithms for circuit design to the data, and implement and test the suggested designs with the aforementioned cells in vitro.The success of this plan will bring gene circuits within a touching distance of biomedical applications, in cancer and in genetic disease. It will address the critical issues of circuit function in heterogeneous primary cells and circuit immunogenicity, expanding in the process the knowledge base of synthetic biology.
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