Niepokojące badania wykazały, że kontrowersyjne narzędzie do edycji genów CRISPR może spowodować rozwój raka

Może to brzmieć jak marka zbóż, ale CRISPR to jedna z najważniejszych rewolucji w genetyce za naszego życia. W ostatnich miesiącach pojawiły się historie o naukowcach wykorzystujących białka CRISPR-Cas do efektywnej edycji sekwencji genetycznych DNA, zabijania HIV, jedzenia Ziki jak Pac-man i przechowywać GIF w DNA bakterii .

Jednak pomimo potencjału CRISPR jest to niezwykle kontrowersyjna procedura. Wymaga wycięcia i całkowitej zmiany nici DNA w celu zmiany składu genetycznego człowieka, a dwa nowe badania powiązały taką technologię edycji genów ze wzrostem zachorowań na raka.

Papiery, jeden po drugim Novartis a drugi przez Instytut Karoliński , opublikowane wMedycyna natury, stwierdzają, że techniki terapii genowej mogą osłabiać zdolność danej osoby do walki z nowotworami i mogą powodować raka, budząc obawy o bezpieczeństwo terapii genowych opartych na CRISPR.

Cofnijmy się trochę.

Zobacz powiązane Czym są komórki macierzyste i jak mogą zmienić medycynę? Przeszczep głowy ludzkiej: kontrowersyjna procedura z powodzeniem przeprowadzona na zwłokach; procedura na żywo nieuchronna

Dwie prace skupiały się na genie p53. Wcześniejsze badania wykazały, że niektóre ludzkie nowotwory nie mogą się rozwijać, jeśli gen p53 działa tak, jak powinien. W rezultacie p53 działa jak naturalny mechanizm obronny, chroniący genom przed zmianami wprowadzonymi przez CRISPR-Cas9. Kiedy CRISPR-Cas9 jest używany do edycji składu genetycznego osoby, gen p53 przeskakuje do swojej obrony i skutecznie zabija edytowane komórki, powodując ich samozniszczenie. W rzeczywistości to ten gen opóźnił postęp i skuteczność techniki CRISPR w wielu próbach.

Jednak w przypadkach, w których CRISPR-Cas9 z powodzeniem dokonał edycji genomu danej osoby, sugeruje to, że gen p53 konkretnej komórki jest wadliwy lub dysfunkcyjny. To z kolei może być powiązane z mniejszą zdolnością organizmu do walki z rakiem. W szczególności wadliwy p53 może spowodowaćkomórki rosną w niekontrolowany sposób i stają się rakowe, co zostało powiązane z przypadkamirak jajnika, okrężnicy i odbytnicy.

Zbierając komórki, które z powodzeniem naprawiły uszkodzony gen, który zamierzaliśmy naprawić, możemy nieumyślnie wybrać również komórki bez funkcjonalnego p53, autorka badania Emma Haapaniemi z Instytutu Karolinska wyjaśnił . W przypadku przeszczepienia pacjentowi, tak jak w przypadku terapii genowej chorób dziedzicznych, takie komórki mogą wywołać raka, budząc obawy o bezpieczeństwo terapii genowych opartych na CRISPR.

Należy jednak zauważyć, że powiązanie z rakiem to nie to samo, co wywoływanie raka, a wyniki tych dwóch badań są tak zwane wstępnymi, co oznacza, że ​​potrzebne są dalsze prace, aby wzmocnić lub odrzucić wyniki. Naukowcy nawet szybko dystansują się od stwierdzenia, że ​​CRISPR jest niebezpieczny. Zamiast tego podnoszą ważne kwestie i doradzają firmom i naukowcom, którzy rozpoczynają badania kliniczne, aby zwrócili uwagę na to powiązanie.

Badania koncentrują się również na bardzo szczególnym typie techniki edycji CRISPR – białku Cas-9 używanym do korygowania chorego DNA poprzez wstawianie zdrowego, edytowanego DNA – i potrzebne są dalsze prace, aby sprawdzić, czy inne formy edycji genów generują podobne obawy. Rzeczywiście, próbując uporać się z podobną, wcześniejszą krytyką, badacze z Instytutu Salka niedawno zgłosili obejście tego problemu. Zamiast edytować geny, ich tak zwana epigenetyczna (lub powyżej genu) metoda CRISPR spowoduje włączenie lub wyłączenie genów, a nie ich wycięcie.

Modyfikując epigenom, naukowcy byli w stanie kontrolować zachowanie genu bez bezpośredniej modyfikacji DNA; modyfikacja genów zamiast edycji genów. W badaniach na myszach naukowcy odwrócili objawy choroby nerek, cukrzycę typu 1 i formę dystrofii mięśniowej. Ma również potencjał do zwalczania choroby Alzheimera.

Co to jest CRISPR-Cas9?

CRISPR-Cas9 to narzędzie do edycji genomu, które jest w stanie wyciąć DNA w ukierunkowany sposób, umożliwiając naukowcom dokładną edycję elementów budulcowych życia. Prawdopodobnie zobaczysz, że jest to wspomniane obok nieco mniej znanego duetu CRISPR-Cas1 i CRISPR-Cas2 – oba z nich łączą kawałki DNA z własnym genomem bakterii (więcej o tym później).

Cas9 po raz pierwszy zaobserwowano w latach 80. XX wieku jako część mechanizmów obronnych jednokomórkowych bakterii, które zapewniają komórkom zdolność usuwania niepożądanych intruzów. Naukowcy odkryli, że dzięki adaptacji technologii są w stanie celować w sekwencje genomu z niespotykaną szybkością, precyzją i dokładnością.

Wyobraź sobie CRISPR-Cas9 jak wyszukiwanie i zamienianie w dokumencie komputerowym, tylko że zamiast słów edytujesz sekwencje genetyczne.Dokładne modyfikowanie DNA to naukowy święty Graal, a potencjał jest ogromny. Może być stosowany do zwalczania chorób – nawet te dziedziczne, takie jak mukowiscydoza, anemia sierpowata i choroba Huntingtona, mogą odejść w przeszłość.

Nazwa CRISPR jest akronimem mniej chwytliwych, zgrupowanych, regularnie rozmieszczonych, krótkich powtórzeń palindromicznych. Część Cas odnosi się do powiązanego CRISPR.

CRISPR-Cas9: Jak to działa?

CRISPR jest częścią naturalnie występujących mechanizmów obronnych niektórych bakterii. Kiedy bakteria wykryje inwazyjnego wirusa, jest w stanie kopiować i mieszać segmenty obcego DNA z własnym genomem wokół CRISPR. Cas9 wykonuje cięcie, podczas gdy Cas1 i Cas2 wstawiają zewnętrzne DNA do genomu komórki.

Menu systemu Windows 10 nie otwiera się

Następnym razem, gdy wirus zostanie zauważony, CRISPR ma dokładną kopię sekwencji genomu, na którą należy zwrócić uwagę, gdzie wkracza białko Cas: może przeciąć DNA i wyłączyć niechciane geny z niewiarygodną dokładnością.

Lub, jak wyjaśnia Carl Zimmer : Gdy region CRISPR wypełnia się DNA wirusa, staje się molekularną najbardziej poszukiwaną galerią, reprezentującą wrogów napotkanych przez mikrob. Mikrob może następnie wykorzystać ten wirusowy DNA do przekształcenia enzymów Cas w precyzyjnie kierowaną broń. Mikrob kopiuje materiał genetyczny w każdym odstępniku do cząsteczki RNA. Enzymy Cas pobierają następnie jedną z cząsteczek RNA i ją kołyszą. Wirusowe RNA i enzymy Cas razem dryfują przez komórkę. Jeśli napotkają materiał genetyczny wirusa, który pasuje do RNA CRISPR, RNA mocno się zatrzaśnie. Enzymy Cas przecinają DNA na dwie części, zapobiegając replikacji wirusa.

W 2012 roku naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley opublikowali: przełomowy papier pokazując, że byli w stanie przeprogramować układ odpornościowy CRISPR-Cas, aby dowolnie edytować geny. CRISPR-Cas9 wykorzystuje specyficzne białko Cas i hybrydowe RNA, które mogą identyfikować i edytować dowolną sekwencję genów. Możliwości są ogromne.

Krótko mówiąc, CRISPR wymienia sekwencje DNA, na które należy nakierować, a następnie Cas9 wykonuje cięcie. Naukowcy muszą tylko zaprogramować CRISPR odpowiednim kodem, a Cas9 zajmie się resztą.

Może to dotyczyć również wadliwych genów – sekcje, które obecnie powodują problemy, można usunąć za pomocą CRISPR-Cas9, a następnie zastąpić zdrowym kodem genetycznym, teoretycznie rozwiązując problem.

CRISPR-Cas9: Czy był stosowany u ludzi?

Tak, w Chinach . Wykorzystując ludzkie embriony pochodzące z kliniki płodności, naukowcy próbowali wykorzystać CRISPR-Cas9 do edycji genu wywołującego beta-talasemię w każdej komórce. Należy zauważyć, że użyte zarodki dawcy były niezdolne do życia i nie mogły skutkować żywym porodem.

W każdym razie nie powiodła się i zawiodła całkiem źle: wstrzyknięto 86 embrionów, a po 48 godzinach i około ośmiu wyhodowanych komórkach 71 przeżyło, a 54 z nich poddano testom genetycznym. Tylko 28 zostało pomyślnie splecionych, a bardzo niewiele zawierało materiał genetyczny zamierzony przez naukowców.Jeśli chcesz to zrobić w normalnych embrionach, musisz być blisko 100%, główny badacz Powiedział Jungiu HuangNatura . Dlatego przestaliśmy. Nadal uważamy, że to zbyt niedojrzałe.

Co więcej, jest bardzo prawdopodobne, że wyrządzono więcej nieudokumentowanych szkód. Ponieważ New York Times wyjaśnia :Chińscy naukowcy zwracają uwagę, że w ich eksperymencie edycja genów prawie na pewno spowodowała większe szkody niż to udokumentowali; nie zbadali całych genomów komórek embrionalnych.

Jak można sobie wyobrazić, wywołało to ogromne kontrowersje w środowisku naukowym.

W listopadzie 2016 , inna grupa chińskich naukowców jako pierwsza zastosowała CRISPR-Cas9 u dorosłego człowieka, wstrzykując choremu na raka płuc komórki odpornościowe pacjenta zmodyfikowane przez CRISPR w celu wyłączenia białka PD-1, teoretycznie zmuszając organizm pacjenta do walki z rakiem .

Następnie w nauka opublikowanym 3 sierpnia, naukowcy z powodzeniem „edytowali” ludzkie embriony, usuwając wadliwy segment DNA, który może prowadzić do dziedzicznej choroby serca. Było to przełomowe osiągnięcie i zapewniło możliwości potencjalnego zapobiegania około 10 000 zaburzeniom genetycznym z pojedynczą mutacją (tj. chorobom powodowanym przez pojedynczy wadliwy gen) u przyszłych ludzi.

CRISPR-Cas9 i etyka

Mimo że chińscy naukowcy wykorzystali embriony, które nie rozwiną się w życie, istnieją realne obawy etyczne dotyczące eksperymentów na ludzkich embrionach – w rzeczywistości zaledwie miesiąc przed opublikowaniem chińskich badań, grupa amerykańskich naukowców zaapelowała, by świat tego nie robił .

Częściowo sprowadza się to do tego, jak niedojrzała jest ta technologia – pamiętaj, że jest aktywnie używana od 2012 roku i byłoby zdumiewające, gdyby w tym momencie była w pełni dojrzała. Naukowcy ostrzegali, że w tym momencie jest zbyt źle zrozumiany i niebezpieczny, a chińskie badania z pewnością potwierdzają tę obawę. Nawet jeśli zadziałało bezbłędnie, istnieją obawy, że nieprzewidziane konsekwencje mogą wystąpić na przestrzeni pokoleń.

Ale nawet gdyby była w 100% bezpieczna i skuteczna, istnieją inne obawy etyczne: chociaż nikt nie twierdzi, że powinniśmy powstrzymywać potencjał wymazywania zabójczych chorób genetycznych, takich jak choroba Huntingtona i mukowiscydoza, CRISPR-Cas9 potencjalnie oferuje możliwość zmiany cokolwiek o osobie. Dopóki sekwencja genetyczna jest zidentyfikowana, teoretycznie można ją edytować.

Czym innym jest usuwanie chorób wpływających na życie przed urodzeniem, a zupełnie czym innym jest to, że rodzice mogą zaprojektować swoje dzieci tak, aby były silniejsze, szybsze i lepiej wyglądały. Nawet jeśli zaakceptujesz, że jest to coś, na co ludzie powinni mieć prawo, są szanse, że zostanie to mocno skomercjalizowane, zapewniając, że tylko bogaci będą mogli sobie pozwolić na wszystkie dodatkowe korzyści życiowe, które by to zapewniły, co masowo wpłynie na nierówności.

CRISPR-Cas9: Co zostało zrobione do tej pory?

Oczywiście te kwestie etyczne są oddalone o milion mil, kiedy jedyny zarejestrowany eksperyment na embrionach na ludziach spowodował tak głośną komplikację. Jednak CRISPR-Cas9 wykazuje obecnie niezwykle obiecujące wyniki w mniejszych testach.

Przykłady zawierają Zapobieganie zakażeniom HIV w komórkach ludzkich , leczenie genetycznych chorób myszy i para małp urodzonych z ukierunkowanymi mutacjami .

CRISPR staje się również skutecznym sposobem przechowywania danych w DNA. W marcu 2017 r. para badaczy z New York Genome Center opublikowała raport w Nauka czasopismo, szczegółowo opisujące metody przechowywania skompresowanych plików w cząsteczkach DNA. Za pomocą algorytmu tłumaczenia plików na kod binarny, który można zmapować na nukleotydowe zasady DNA, naukowcy byli w stanie zakodować w sumie sześć plików: artykuł naukowy z 1948 r., blaszkę Pioneera, system operacyjny, wirus, film z 1895 r.Przyjazd pociągu na stację La Ciotat…i karta podarunkowa Amazon o wartości 50 USD.

Kilka miesięcy później zespół naukowców z Harvard Medical School zakodował zapętlony klip wideo w DNA żywej komórki bakterii E.coli . Celem jest opracowanie systemu do robieniarejestratory molekularne – DNA zdolne do rejestrowania własnych informacji z otoczenia. Można to wykorzystać we wszystkim, od monitorowania zanieczyszczenia gleby po zrewolucjonizowanie naszego rozumienia aktywności neurologicznej.

W ramach programu Bezpieczne geny DARPA siedem zespołów obejmuje:zespół kierowany przez dr Amita Choudhary'ego z Harvard Medical School, który opracowuje sposoby zwalczania komarów rozprzestrzeniających malarię, drugi zespół Harvard Medical School, który chce wykorzystać CRISPR do wykrywania i odwracania mutacji spowodowanych promieniowaniem. Zespół Uniwersytetu Stanowego Karoliny Północnej, kierowany przez dr. Johna Godwina, ma na celu ukierunkowanie systemów kierowania genami u szczurów w celu zarządzania gatunkami inwazyjnymi, podczas gdy Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley chce wykorzystać CRISPR do zwalczania wirusów Zika i Ebola. Pełna lista projektów i szczegóły zespołu są dostępne na stronie internetowej DARPA.

Niedawno biolog strukturalny Osamu Nureki z Uniwersytetu Tokijskiego udostępnił w czasie rzeczywistym niesamowity materiał filmowy z edycji DNA CRISPR, który był częścią najnowszego artykułu jego zespołu, opublikowanego w czasopiśmie Komunikacja przyrodnicza . Poniższy klip pokazuje CRISPR przeszukujące DNA przed wprowadzeniem zmian. Możesz zobaczyć, jak nić DNA zostaje odłączona.

Materiał filmowy został pierwotnie pokazany uczestnikom CRISPR 2017 konferencja, która odbyła się w czerwcu. Artykuł został złożony po tej konferencji i opublikowany 10 listopada.

CRISPR-Cas9: Czy trafi do Wielkiej Brytanii?

Tak. Badacze komórek macierzystych w UK poprosił o pozwolenie modyfikowanie ludzkich embrionów w celu zrozumienia wczesnego rozwoju człowieka i zmniejszenia prawdopodobieństwa poronienia. W lutym 2016 rUrząd ds. Płodności i Embriologii Człowieka (HFEA) udzielił zgody.

CRISPR-Cas9: Dlaczego CRISPR jest zły?

Jak wspomniano wcześniej, Cas9 może rozpoznawać tylko sekwencje genetyczne o długości około 20 zasad, co oznacza, że ​​dłuższe sekwencje nie mogą być celem.Co ważniejsze, enzym wciąż czasami tnie w niewłaściwym miejscu. Ustalenie, dlaczego tak jest, samo w sobie będzie znaczącym przełomem – naprawienie go będzie jeszcze większe.

Następnie oczywiście pojawia się problem, że CRISPR nie działał strasznie dobrze w ludzkich embrionach i jego nowsze powiązania z rakiem.

CRISPR-Cas9: Kto jest właścicielem?

To nie jest proste pytanie. Jest przedmiotem toczącej się bitwy patentowej – co zaskakujące, biorąc pod uwagę, że CRISPR występuje naturalnie w niektórych bakteriach.

Przegląd technologiiwyjaśnia że, chociaż CRISPR-Cas9 został po raz pierwszy opisany wNaukaw 2012 roku Jennifer Doudna z UC Berkeley, Feng Zhang z Broad Institute zdobył patent na tę technikę, przesyłając laboratoryjne zeszyty udowadniające, że to on wynalazł ją jako pierwszy.

Pierwsze zgłoszenie praw patentowych oznacza, że ​​powinno to zostać przyznane Doudnie, ale decyzja mogła zostać podjęta na podstawie pierwszego wymyślenia reguł, które byłyby korzystne dla Zhanga. Na końcu, sprawa została rozwiązana w lutym 2017 r. , kiedy US Patent Trial and Appeal Board postanowiła, że ​​UC Berkeley otrzyma patent na użycie CRISPR-Cas9 w dowolnej żywej komórce, podczas gdy Broad otrzyma go w dowolnej komórce eukariotycznej – to znaczy w komórkach roślin i zwierząt.

Obrazy: Petra B Fritz , VeeDunn , Galeria obrazów PZH , i Steve Jurvetson używane na licencji Creative Commons