Zmodyfikowano genetycznie pierwsze ludzkie zarodki

Badania przeprowadził zespół uczonych pod kierownictwem Junjiu Huanga z Sun-Jat-sena University w Guangzhou. Aby uniknąć wątpliwości etycznych, do eksperymentów użyto pochodzących z lokalnej kliniki leczenia niepłodności embrionów "niezdolnych do życia" - takich, z których nie powstałyby zdrowe dzieci. Celem naukowców była modyfikacja genu HBB odpowiedzialnego za rozwój beta-talasemii, potencjalnie śmiertelnej choroby krwi za pomocą techniki CRISPR/Cas 9, z którą medycyna wiązała duże nadzieje. Wyniki badań wskazują jak niedoskonała jest to metoda.

- Wierzę, że jest to pierwszy raport dotyczący użycia techniki CRISPR/Cas9 na ludzkich zarodkach przed implantacją. To badanie należy traktować jako punkt orientacyjny, a także przestrogę przed kolejnymi eksperymentami. Wynikom powinni przyjrzeć się lekarze, którzy uważają, że technologia CRISPR/Cas9 jest gotowa do powszechnego stosowania w celu eliminacji chorób genetycznych - powiedział George Daley, biolog zajmujący się komórkami macierzystymi z Harvard Medical School w Bostonie.

CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) ma swoje źródło w odkrytych w 1987 r. powtórzeniach sekwencji DNA u bakterii Escherichia coli, ale ukształtowano dopiero w 2012 r. Dwa lata później naukowcy udowodnili, że może być stosowana na żywych organizmach. Świat medycyny zwariował na punkcie tej techniki. Eric Hendrickson przyznał, że wynalezienie metody CRISRP/Cas9 "było dla nauk przyrodniczych jak trzęsienie ziemi". Technika ta pozwala bowiem na precyzyjne generowanie mutacji w genomie poprzez przecięcie podwójnej helisy DNA w konkretnym miejscu, a także użycie mechanizmów naprawczych DNA, które dodają do uszkodzonej nici losowe nukleotydy. Możliwe jest także wstawienie ściśle określonego fragmentu DNA w miejscu przecięcia, a nawet zwiększenie aktywności danego genu bez uszkadzania nici.

Technika CRISPR/Cas9 składa się z dwóch elementów: kierującego RNA i endonukleazy (enzymu działającego na DNA). Kierujące RNA to tak naprawdę mieszanina różnych typów kwasu rybonukleinowego, jednego z nośników informacji genetycznej - bakteryjnego crRNA i tracrRNA w chimeryczny transkrypt gRNA. Z kolei nukleaza Cas9 ma dwie domeny funkcjonalne: RuvC i HNH - każda z nich tnie inną nić DNA. W związku z tym, gdy aktywne są obie domeny funkcjonalne Cas9, w genomowym DNA dochodzi do pęknięcia obu nici.

Celem Cas9 jest sekwencja DNA składająca się z 20 nukleotydów i tzw. PAM (Protospacer Adjacent Motif). Gdy enzym odnajdzie taką sekwencję w DNA, łączy się z nim i rozpoczyna pracę. Warto jednak zaznaczyć, że konkretna sekwencja aktywująca Cas9 może znajdować się w wielu miejscach genomu, dlatego trzeba ściśle określić pożądane miejsce docelowe, najlepiej przy pomocy zaawansowanych programów komputerowych.

Do tej pory z metodą CRISPR/Cas9 medycyna wiązała ogromne nadzieje. Uważano, że może być ona stosowana u ludzi w celu całkowitej eliminacji chorób genetycznych. W przypadku wielu schorzeń modyfikacje należałoby przeprowadzać już w życiu płodowym, by uniknąć wykształcenia daleko idących zmian funkcjonalnych organizmu. Pojawiły się zatem głosy, że technika CRISPR/Cas9 może być wykorzystywana do leczenia, ale i projektowania ludzi. Przecież wszelkie zmiany w materiale genetycznym mogą być dziedziczne i nie wiadomo jak odbiją się na przyszłych pokoleniach.

Badania zespołu Huanga są o tyle istotne, że jednoznacznie pokazują, że metoda CRISPR/Cas9 to wcale nie Święty Graal genetyki. Stosowanie tej techniki może być niebezpieczne dla ludzi.

Zespół Huanga sprawdził czy technika CRISPR/Cas9 pozwala na zastąpienie nieprawidłowego genu w przypadku jednokomórkowego ludzkiego zarodka. Taki zabieg miałby sens, gdyż kolejne podziały komórkowe powieliłyby już prawidłowy gen (bez mutacji wywołującej daną chorobę). Chińscy naukowcy do eksperymentów postanowili wykorzystać zarodki odrzucone w klinikach leczenia niepłodności. Nie nadawały się one do inseminacji, gdyż miały dodatkowy zestaw chromosomów. Zarodki takie powstają w wyniku zapłodnienia komórki jajowej przez dwa plemniki. Przechodzą one pierwsze stadia rozwojowe, ale nie powstają z nich funkcjonalne płody.

Uczeni wstrzyknęli zarodkom kompleks CRISPR/Cas9 w celu zbadania jego skuteczności w kontrolowanych warunkach. Zabieg przeprowadzono u 86 zarodków, a następnie poczekano 48 godzin, wystarczająco dużo, by metoda zaczęła działać, a każdy z zarodków przeszedł w stadium składające się z ok. 8 komórek. Z 71 zarodków, które po tym czasie przeżyły, 54 poddano testom genetycznym. Naukowcom udało się podzielić DNA 28 z nich, ale tylko niewielka grupa zawierała naprawiony materiał genetycznych. Aby przeprowadzić taki zabieg na zdrowych zarodkach, trzeba zbliżyć się do 100 proc. skuteczności.

To nie wszystko, metoda CRISPR/Cas9 wywołała zaskakująco dużo mutacji wywołanych niecelnym działaniem kompleksu w innych częściach genomu. Występowały one znacznie częściej niż w przypadku wcześniejszych eksperymentów przeprowadzonych na myszach czy dojrzałych ludzkich komórkach. Huang jest zdania, że wiele mutacji mogło nie zostać wykrytych, bo uczeni przeanalizowali tylko część genomu zwaną eksonem (odcinki kodujące sekwencje aminokwasów). Prawdopodobne jest, że takie rezultaty związane są z użyciem zarodków z dodatkowym zestawem chromosomów.

Praca chińskich naukowców została odrzucona zarówno przez "Nature", jak i "Science", częściowo z powodu zastrzeżeń natury etycznej. Jej opublikowania podjęło się internetowe pismo "Protein & Cell".

Na zespół Huanga spadła duża fala krytyki zwolenników CRISR/Cas9. Ich zdaniem duża liczba niekontrolowanych mutacji w użytych zarodkach jest konsekwencją ich nienormalnej budowy. Huang uznaje krytykę, ale ponieważ wciąż nie ma przykładów użycia metody CRISPR/Cas9 na prawidłowo wykształconych zarodkach, swoje wyniki traktuje jako poważną lampkę ostrzegawczą. Poza tym eksperyment przeprowadzony na nieprawidłowo wykształconym zarodku ludzkim i tak ma większą wartość merytoryczną niż taki, w którym wykorzystano embriony zwierzęce lub pojedyncze zlepki komórek.

- Badania chińskich naukowców podkreślają to, co powiedzieliśmy wcześniej: musimy wstrzymać te badania i upewnić się, że zmierzamy w dobrym kierunku - powiedział Edward Lanphier, prezes firmy Sangamo Biosciences w Richmond, która zajmuje się techniką edycji genów w dorosłych organizmów.

Huang chce dowiedzieć się, jak można zmniejszyć liczbę mutacji poza pożądanymi, używając komórek dorosłego człowieka. Niewykluczone jest zastosowanie innych metod edycji genomu, m.in. TALEN, która generuje znacznie mniej niepożądanych mutacji. Badania Huanga pobudzają do ponownej debaty o modyfikacji ludzkich zarodków. Nie unikniemy jednak takich eksperymentów, a znacznie lepiej, gdy są one kontrolowane przez środowisko naukowe, zamiast przeprowadzane w ukryciu. Zgodnie z informacjami pozyskanymi przez "Nature", w Chinach nad modyfikacją ludzkich zarodków pracują co najmniej cztery niezależne grupy naukowców.