Reklama

​CRISPR/Cas9 - chirurgia genomowa do naprawy człowieka

Technika CRISPR/Cas9 służy do edycji genów /123RF/PICSEL

Kiedy w 2018 r. He Jiankui ogłosił, że zmodyfikował genomy dwóch bliźniaczek przed narodzeniem, świat nauki przecierał oczy ze zdumienia. Po co to zrobił? Jak mu się to udało? Było to możliwe dzięki zastosowaniu techniki edycji genów, znanej jako CRISPR/Cas9. Przez długi czas wydawało się, że to tylko "dziwaczny" sposób obrony bakterii przed wirusami. Teraz wiemy, że technika ta to coś więcej - z ogromnymi możliwościami terapeutycznymi.

Jeszcze niedawno wydawało się, że CRISPR/Cas9 to narzędzie przydatne tylko dla biologów. Jednym z pierwszych badaczy genetycznych nożyczek był dr Samuel Sternberg, który pracował w zespole dr Jennifer Doundy (laureatki Nagrody Nobla w dziedzinie chemii w 2020 r. za odkrycie CRISPR/Cas9). W 2019 r. dr Sternberg otworzył własne laboratorium w Columbia University Vagelos College of Physicians and Surgeons, w którym technika CRISPR jest dopracowywana, aby uczynić ją wydajniejszą i mniej podatną na błędy. 

- CRISPR nie wydawał się mieć większego znaczenia dla ludzkiego zdrowia, ale był to wielki, otwarty plac zabaw z mnóstwem fascynujących zagadnień, nad którymi nikt nie pracował. Pamiętam, jak prezentowałem swoją pracę na konferencjach, rzucając słowo CRISPR i po prostu dostawałem puste spojrzenia - powiedział dr Sternberg.

Reklama

Teraz technika CRISPR/Cas9 jest praktycznie wszędzie. Duża w tym zasługa Nagrody Nobla, ale jeszcze większa medialnego rozgłosu "dzieci z CRISPR" będących dziełem He Jiankui. Genetyk publicznie wyznał, że dokonał edycji genomu dwóch dziewczynek, aby zapewnić im ochronę przed zakażeniami wirusem HIV w dorosłym życiu. Zarówno w USA, jak i w Europie technika CRISPR/Cas9 jest coraz częściej stosowana, ale wciąż określa się ją mianem eksperymentalnej. 

- CRISPR/Cas9 ma szansę wpłynąć na nasze społeczeństwo na wiele sposobów w ciągu najbliższych lat, zarówno w rolnictwie, zdrowiu ludzkim, jak i chorobach zakaźnych. Tylko dzięki zrozumieniu podstaw CRISPR - jak działa, co umożliwia, a czego nie - opinia publiczna może podejmować świadome decyzje dotyczące odpowiedzialnego wykorzystania technologii edycji genów - dodał dr Sternberg. 

Jak działa CRISPR/Cas9?

CRISPR (ang. Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) to tak naprawdę system obrony organizmów prokariotycznych (bakterii i archeonów) przed zewnętrznymi intruzami genetycznymi (np. bakteriofagami czy plazmidami). Opiera się on na przechowywaniu w genomie fragmentów "obcego" (egzogennego) DNA, pozyskiwanego np. w trakcie infekcji wirusowej, dzięki czemu możliwe jest wykrycie takiej sekwencji w przypadku ponownego kontaktu. System CRISPR jest dzisiaj wykorzystywany do celowego modyfikowania genomu w precyzyjnie wybranych miejscach. Możliwe jest to dzięki połączeniu systemu CRISPR, potrafiącego wybiórczo wiązać się z ustaloną sekwencją DNA, z endonukleazą Cas9, dokonującą enzymatycznego przecięcia nici DNA w pobliżu tej sekwencji - stąd określenie całego kompleksu mianem CRISPR/Cas9 (choć możliwe jest używanie innych kaspaz).

Analogią, którą biolodzy często używają w kontekście techniki CRISPR/Cas9 jest narzędzie "znajdź i zamień" z programu Word. Wpisujemy słowo, które chcemy znaleźć i zamienić na inne - w CRISPR tworzymy fragment RNA, który szuka określonych sekwencji w genomie, a następnie przecinamy go za pomocą kaspazy 9. Niektóre z rodzajów technik wykorzystują CRISPR nie do edycji genów per se, ale do modyfikacji enzymów, które włączają lub wyłączają geny. Możliwości jest naprawdę wiele, a analogia dr Sternberga do placu zabaw, wydaje się być trafna. 

Kontrola naprawy DNA to wciąż wąskie gardło w rozwoju edycji genów do zastosowań klinicznych. Mówi się, że CRISPR/Cas9 to genetyczne nożyczki, ale w rzeczywistości mechanizm działania tego narzędzia nie jest tak prosty, jak mogłoby się wydawać. Owszem, nić DNA może zostać precyzyjnie przecięta, ale sposób, w jaki jest odbudowywana, wciąż jest trudny do przewidzenia i kontroli.

Innymi słowy - chociaż dość łatwo jest dokonać przypadkowej zmiany w materiale genetycznym, trudniej wyzwolić taką, która jest potrzebna. Techniki tej użyto do eksperymentalnego leczenia beta-talasemii i anemii sierpowatej. Być może w przyszłości te wrodzone choroby będą w pełni uleczalne. 

Zespoły badawcze rozwijające techniki CRISPR/Cas9 celują w schorzenia, w których nie jest konieczne kontrolowanie dokładnego miejsca naprawy DNA. W przypadku sierpowatości, zamiast bezpośrednio naprawiać mutację w hemoglobinie beta, można zamiast tego wprowadzić mutację w innej części genomu, co jest dużo łatwiejsze do osiągnięcia. Efekt terapeutyczny jest natomiast taki sam.

Równie dużym problemem CRISPR/Cas9 jest dostarczać enzymy do organizmów żywych pacjentów. W przypadku modyfikacji pobranych tkanek jest znacznie łatwiej, więc wiele obecnych terapii działa właśnie w ten sposób. Dlatego też tak dużym zainteresowaniem cieszy się potencjalne wykorzystanie techniki CRISPR/Cas9 do edycji genomów zarodków.

Co niezwykłego jest w CRISPR/Cas9?

Narzędzia do edycji genów istnieją od dziesięcioleci, ale do tej pory manipulowanie materiałem genetycznym u organizmów wyższych nie było możliwe. Przeprowadzanie tych procesów u bakterii i drożdży nie jest niczym niezwykłym, ale w przypadku komórek ludzkich i modeli zwierzęcych, jest znacznie trudniej.

Czynnikiem ograniczającym był zawsze sposób precyzyjnego trafienia w konkretną część genomu. CRISPR to programowalna maszyna - wprowadza się współrzędne GPS precyzyjnego miejsca w genomie, a następnie dostarcza się do tego miejsca cząsteczki modyfikujące gen. 

- Myślę, że to, co jest najpotężniejsze w CRISPR, to właśnie ta podstawowa zdolność do wysyłania cząsteczek w bardzo precyzyjne miejsca w oszałamiająco dużym genomie. W naszym genomie mamy ponad 3 miliardy liter, które tańczą wewnątrz komórki, ale dzięki CRISPR możemy teraz manipulować poszczególnymi literami z chirurgiczną dokładnością - wyjaśnił dr Sternberg.

Naukowcy pracujący nad techniką CRISPR/Cas9 uważają, że edytowanie linii zarodkowej (jak modyfikacje embrionów He Jiankui) to nieunikniony kamień milowy genetyki, do którego należy dążyć. Istnieją jednak rozsądne argumenty zarówno za, jak i przeciw klinicznemu wykorzystaniu edytowanych linii zarodkowych. Jeśli CRISPR może pomóc rodzicom począć wolne od choroby dziecko, gdy nie ma innych możliwości, to dlaczego nie powinniśmy tego robić? To jednak wciąż nieuregulowana prawnie i etycznie materia, która może doprowadzić do poważnych nadużyć i wręcz dystopijnego "projektowania dzieci" na zamówienie.

W przypadku badań He Jiankui szczególnie niepokojące jest nie to, że próbował znaleźć sposób na zapobieganie przenoszenia wirusa HIV, ale jak lekkomyślnie postąpił. Jego zespół przed wszczepieniem zmodyfikowanych embrionów nie sprawdził nawet, czy zmiany genetyczne, których dokonał za pomocą CRISPR, przyniosą zamierzony efekt.

Dzięki narzędziom, takim jak CRISPR, każde laboratorium zdolne do przeprowadzenia zapłodnienia in vitro może również edytować genom zarodka. Trzeba wprowadzić mechanizmy kontroli, które pilnują, czy takie nieetyczne procedery nie są praktykowane.

Nadzieja na przyszłość?

Dzięki CRISPR, po raz pierwszy w historii możemy z optymizmem myśleć o zwalczaniu śmiertelnych chorób dzięki precyzyjnej "chirurgii genomowej". CRISPR dzisiaj napędza badania w tempie, który jeszcze kilka lat temu był uważany za bezprecedensowy. 

Warto pamiętać, że CRISPR/Cas9 nie jest techniką wynalezioną w laboratorium, ale taką, która ewoluowała przez miliardy lat w świecie przyrody. Nowo odkryte enzymy takie jak Cas12 i Cas13 zyskują na popularności, a te zostały odkryte dzięki cofnięciu się do podstawowej biologii bakterii.

Reklama

Reklama

Reklama

Reklama