Morda se sliši kot žitna znamka, vendar je CRISPR ena najpomembnejših revolucij v genetiki v našem življenju. V zadnjih mesecih se pojavljajo zgodbe o raziskovalcih, ki uporabljajo beljakovine CRISPR-Cas za učinkovito urejanje genetskih zaporedij DNA, ubijanje virusa HIV, uživanje Zike kot Pac-man in shranite GIF v DNA bakterij .
Kljub potencialu CRISPR pa gre za izjemno sporen postopek. Zahteva, da se pramene DNK režejo in popolnoma spremenijo, da se spremeni človekov genetski sestavek, dve novi študiji pa sta takšno tehnologijo urejanja genov povezali z naraščanjem raka.
Papirji, vsak po en Novartis drugi pa Karolinska inštitut , objavljeno vNaravna medicinasklepajo, da lahko tehnike genske terapije oslabijo sposobnost osebe za boj proti tumorjem in lahko povzročijo raka, kar vzbuja zaskrbljenost glede varnosti genskih terapij, ki temeljijo na CRISPR.
Vzpostavimo pa malo nazaj.
Glej sorodno Kaj so izvorne celice in kako lahko spremenijo zdravilo? Presaditev človeške glave: kontroverzen postopek na trupli; neposreden postopek v živo
Oba članka sta se osredotočila na gen p53. Prejšnje raziskave so pokazale, da se nekateri človeški tumorji ne morejo razviti, če gen p53 deluje, kot bi moral. Kot rezultat, p53 deluje kot naravni obrambni mehanizem za zaščito genoma pred vrstami sprememb, ki jih naredi CRISPR-Cas9. Ko se CRISPR-Cas9 uporablja za urejanje genetske sestave osebe, gen p53 skoči v svojo obrambo in učinkovito uniči urejene celice, tako da povzroči njihovo samouničenje. Pravzaprav je prav ta gen zaviral napredek in učinkovitost tehnike CRISPR v številnih preskušanjih.
Vendar pa v primerih, ko je CRISPR-Cas9 uspešno uredil genom osebe, to kaže na to, da je gen p53 določene celice okvarjen ali ne deluje. To pa je lahko povezano s tem, da se telo manj bori proti raku. Zlasti lahko povzroči napako p53celice nenadzorovano rastejo in postanejo rakave in je bila povezana z primerirak jajčnikov, debelega črevesa in danke.
Z izbiro celic, ki so uspešno popravile poškodovani gen, ki smo ga nameravali popraviti, lahko nehote izberemo tudi celice brez funkcionalnega p53, avtorica študije Emma Haapaniemi z Karolinskega inštituta razloženo . Če bi takšne celice presadile bolniku, tako kot pri genskem zdravljenju dednih bolezni, bi lahko povzročile raka, kar bi povzročilo pomisleke glede varnosti genskih terapij, ki temeljijo na CRISPR.
Vendar je treba opozoriti, da povezava z rakom ni isto kot povzročanje raka, rezultati teh dveh študij pa so tako imenovani predhodni, kar pomeni, da je treba nadaljnje delo okrepiti ali zavrniti ugotovitve. Raziskovalci se celo hitro distancirajo od izjave, da je CRISPR nevaren. Namesto tega postavljajo veljavna vprašanja in svetujejo podjetjem in znanstvenikom, ki si prizadevajo za klinična preskušanja, naj se zavedajo povezave.
Študije se osredotočajo tudi na zelo določeno vrsto tehnike urejanja CRISPR - protein Cas-9, ki se uporablja za popravljanje obolele DNA z vstavljanjem zdrave, urejene DNK - in nadaljnje delo je potrebno, da se ugotovi, ali druge oblike urejanja genov povzročajo podobne pomisleke. V poskusu reševanja podobnih prejšnjih kritik so raziskovalci s Salk Institute pred kratkim poročali o rešitvi. Namesto urejanja genov bi njihova tako imenovana epigenetska (ali nad gensko) metoda CRISPR videla, da se geni vklopijo ali izklopijo, namesto da bi jih odrezali.
S spreminjanjem epigenoma so znanstveniki lahko nadzorovali vedenje gena, ne da bi neposredno spremenili katero koli DNA; genska sprememba in ne urejanje genov. V poskusih na miših so znanstveniki obrnili simptome ledvične bolezni, diabetesa tipa 1 in obliko mišične distrofije. Ima tudi potencial za izkoreninjenje Alzheimerjeve bolezni.
Kaj je CRISPR-Cas9?
CRISPR-Cas9 je orodje za urejanje genoma, ki lahko ciljno reže DNA in znanstvenikom omogoča natančno urejanje gradnikov življenja. Verjetno ga boste videli skupaj z nekoliko manj znanim dvojcem CRISPR-Cas1 in CRISPR-Cas2 - oba sta spajala kose DNK v lasten genom bakterije (več o tem kasneje).
Cas9 so dejansko prvič opazili v osemdesetih letih kot del obrambnih mehanizmov enoceličnih bakterij, ki zagotavljajo, da so celice sposobne odstraniti neželene vsiljivce. Znanstveniki so ugotovili, da lahko s prilagajanjem tehnologije ciljajo na zaporedja genoma z izjemno hitrostjo, natančnostjo in natančnostjo.
CRISPR-Cas9 si predstavljajte kot iskanje in zamenjavo iskanja v računalniškem dokumentu, le da namesto besed urejate genetska zaporedja.Natančno spreminjanje DNK je znanstveni sveti gral in potencial je ogromen. Lahko bi ga uporabili za izkoreninjenje bolezni - tudi dedne, kot so cistična fibroza, srpastocelična anemija in Huntingtonova bolezen, bi lahko postale preteklost.
Ime CRISPR je okrajšava za manj privlačne grozdaste, redno prepletene kratke palindromske ponovitve. Del Cas se nanaša na CRISPR, povezan.
CRISPR-Cas9: Kako deluje?
CRISPR je del naravnih obrambnih mehanizmov nekaterih bakterij. Ko bakterija odkrije invazijski virus, lahko kopira in zmeša segmente tuje DNA v svoj genom okoli CRISPR. Cas9 opravi rezanje, Cas1 in Cas2 pa vstavita zunanjo DNA v genom celice.
pare kako si ogledati skrite igre
Naslednjič, ko virus opazimo, ima CRISPR natančno kopijo zaporedja genoma, na katero je treba paziti, kjer pride Cas protein: lahko razreže DNA in z neverjetno natančnostjo onemogoči neželene gene.
Ali, kot pojasnjuje Carl Zimmer : Ko se regija CRISPR napolni z virusno DNA, postane molekularno najbolj iskana galerija, ki predstavlja sovražnike, s katerimi se je srečal mikrob. Nato lahko mikrob s to virusno DNA spremeni encime Cas v natančno vodeno orožje. Mikrob kopira genski material v vsakem distančniku v molekulo RNA. Encimi Cas nato prevzamejo eno od molekul RNA in jo zibelko. Virusna RNA in encimi Cas skupaj plujejo skozi celico. Če naletijo na genski material virusa, ki se ujema z CRISPR RNA, se RNA tesno zaskoči. Encimi Cas nato sesekljajo DNA na dva dela in preprečujejo razmnoževanje virusa.
Leta 2012 so znanstveniki s kalifornijske univerze Berkeley objavili prelomni papir kar kaže, da so lahko imunski sistem CRISPR-Cas reprogramirali za urejanje genov po želji. CRISPR-Cas9 uporablja poseben protein Cas in hibridno RNA, ki lahko identificira in ureja katero koli gensko zaporedje. Možnosti je ogromno.
Skratka, CRISPR našteva ciljna zaporedja DNA, nato pa Cas9 opravi rezanje. Znanstveniki morajo samo programirati CRISPR s pravilno kodo, Cas9 pa vse ostalo.
To bi lahko veljalo tudi za napačne gene - odseke, ki trenutno povzročajo težave, bi bilo mogoče odstraniti s CRISPR-Cas9 in nato nadomestiti z zdravo genetsko kodo, s čimer bi teoretično rešili težavo.
CRISPR-Cas9: Ali je bil uporabljen na ljudeh?
Da, na Kitajskem . Z uporabo človeških zarodkov, pridobljenih iz klinike za plodnost, so znanstveniki s pomočjo CRISPR-Cas9 uredili gen, ki povzroča beta talasemijo v vsaki celici. Treba je opozoriti, da uporabljeni zarodki darovalci niso bili sposobni preživetja in niso mogli povzročiti živorojenosti.
Vsekakor pa ni uspelo in je zelo slabo: vbrizgali so 86 zarodkov, po 48 urah in približno osmih zraslih celicah jih je 71 preživelo, 54 pa je bilo gensko testiranih. Le 28 jih je bilo uspešno spojenih in le malo jih je vsebovalo genski material, ki so ga raziskovalci nameravali.Če želite to narediti v običajnih zarodkih, morate biti blizu 100%, vodilni raziskovalec Jungiu Huang je povedalNarava . Zato smo se ustavili. Še vedno se nam zdi preveč nezrelo.
Za povrh je zelo verjetno, da je bila narejena več nedokumentirane škode. Kot New York Times pojasnjuje :Kitajski raziskovalci poudarjajo, da je v njihovem poskusu urejanje genov skoraj zagotovo povzročilo večjo škodo, kot so dokumentirali; niso pregledali celotnih genov zarodkovih celic.
Kot si lahko predstavljate, je v znanstveni skupnosti povzročil ogromno polemik.
Novembra 2016 , druga skupina kitajskih znanstvenikov je prva uporabila CRISPR-Cas9 pri odraslem človeku in bolniku vbrizgala pljučni rak s pacientovimi imunskimi celicami, modificiranimi s CRISPR, da bi onesposobila protein PD-1, zaradi česar se je pacientovo telo borilo proti raku .
Nato v študij objavljeno 3. avgusta, so znanstveniki uspešno 'uredili' človeške zarodke in odstranili napačen segment DNK, ki lahko vodi do dedne bolezni srca. To je bil pomemben dosežek in je omogočil potencialno preprečevanje približno 10.000 genskih motenj z eno mutacijo (tj. Bolezni, ki jih povzroča en sam napačen gen) pri prihodnjih ljudeh.
CRISPR-Cas9 in etika
Čeprav so kitajski znanstveniki uporabljali zarodke, ki se ne bodo razvili, obstajajo resnični etični pomisleki glede eksperimentiranja na človeških zarodkih - le mesec dni pred objavo kitajske raziskave, skupina ameriških znanstvenikov je svet pozvala, naj tega ne stori .
Del tega se nanaša na to, kako nezrela je tehnologija - ne pozabite, da je v aktivni uporabi šele od leta 2012, in presenetljivo bi bilo, če bi bila v tem trenutku popolnoma dozorela. Znanstveniki so opozorili, da je bilo v tem trenutku za ljudi preveč razumljeno in nevarno, kitajske raziskave pa to skrb zagotovo potrjujejo. Tudi če je delovalo brezhibno, obstajajo pomisleki, da bi lahko nepredvidene posledice nastale skozi generacije.
Toda četudi bi bil 100% varen in uspešen, obstajajo še drugi etični pomisleki: čeprav nihče ne trdi, da bi morali zadržati potencial uničevanja genetskih bolezni morilcev, kot sta Huntingtonova in cistična fibroza, CRISPR-Cas9 potencialno ponuja priložnost za spremembo karkoli o osebi. Dokler je gensko zaporedje identificirano, ga je v teoriji mogoče urejati.
Eno je, če pred rojstvom odstranimo bolezni, ki vplivajo na življenje, povsem drugo pa je, da lahko starši svoje otroke oblikujejo tako, da so močnejši, hitrejši ali lepšega videza. Tudi če sprejmete, da bi to ljudem morali dovoliti, obstaja verjetnost, da bi se to močno komercializiralo in zagotovilo, da bi si le bogati lahko privoščili vse dodatne življenjske prednosti, ki bi jih to imelo in močno vplivalo na neenakost.
CRISPR-Cas9: Kaj je bilo doslej storjenega?
Seveda so ta etična vprašanja oddaljena milijon milj, ko je edini zabeleženi embrionalni človeški poskus povzročil tako odmeven odmik. Vendar CRISPR-Cas9 zdaj kaže manjše rezultate na manjših testih.
Primeri vključujejo Preprečevanje okužbe s HIV v človeških celicah , zdravljenje genetskih bolezni miši in par opic, rojenih s ciljno usmerjenimi mutacijami .
CRISPR se pojavlja tudi kot učinkovito sredstvo za shranjevanje podatkov v DNK. Marca 2017 je par raziskovalcev iz New York Genome Center objavil poročilo v Znanost revija, ki podrobno opisuje metode za shranjevanje stisnjenih datotek v molekulah DNA. S pomočjo algoritma za prevajanje datotek v binarno kodo, ki jo je mogoče preslikati na nukleotidne baze DNK, so raziskovalci lahko kodirali skupno šest datotek: akademski članek iz leta 1948, Pioneerjeva plošča, operacijski sistem, virus, film iz leta 1895Prihod vlaka na postajo La Ciotat… In darilno kartico Amazon za 50 USD.
Nekaj mesecev kasneje je skupina znanstvenikov s Harvard Medical School kodirani video posnetek v DNK žive bakterije E.Coli . Cilj je razviti sistem za izdelavomolekularni snemalniki - DNK, ki lahko zabeleži lastne informacije iz svoje okolice. To bi lahko uporabili pri vsem, od spremljanja onesnaževanja tal do revolucije v našem razumevanju nevrološke dejavnosti.
V okviru programa DARPA Varni geni sedem ekip vključuje askupina pod vodstvom dr. Amit Choudharyja na Harvardski medicinski šoli, ki razvija načine za zatiranje komarjev, ki se širijo z malarijo, druga ekipa Harvardske medicinske šole, ki želi s CRISPR odkriti in obrniti mutacije, ki jih povzroča sevanje. Ekipa državne univerze v Severni Karolini, ki jo vodi dr. John Godwin, želi ciljati sisteme genskega pogona pri podganah za upravljanje invazivnih vrst, medtem ko želi Univerza v Kaliforniji v Berkeleyju s pomočjo CRISPR ciljati viruse Zika in Ebola. Celoten seznam projektov in podrobnosti o ekipah je na voljo na spletni strani DARPA.
V zadnjem času je strukturni biolog Osamu Nureki z univerze v Tokiu delil neverjetne posnetke CRISPR-jevega urejanja DNK v realnem času, ki so bili del nedavnega prispevka njegove ekipe, objavljenega v reviji Nature Communications . Spodnji posnetek prikazuje CRISPR, ki išče DNK pred njegovim urejanjem. Vidite lahko, da se veriga DNA loči.
Posnetki so bili prvotno prikazani udeležencem CRISPR 2017 konferenca, ki je potekala junija. Prispevek je bil oddan po tej konferenci in je bil objavljen 10. novembra.
CRISPR-Cas9: Ali bo prišel v Združeno kraljestvo?
Da. Raziskovalci matičnih celic v Veliki Britaniji iskal dovoljenje spremeniti človeške zarodke, da bi poskušali razumeti zgodnji človeški razvoj in zmanjšati verjetnost splava. Februarja 2016 jeUrad za človeško gnojenje in embriologijo (HFEA) je izdal dovoljenje.
CRISPR-Cas9: Zakaj je CRISPR slab?
Kot smo že omenili, lahko Cas9 prepozna le genska zaporedja, dolga približno 20 baz, kar pomeni, da daljših zaporedij ni mogoče ciljati.Še pomembneje je, da encim še vedno včasih reže na napačnem mestu. Ugotovitev, zakaj je to, bo samo po sebi pomemben preboj - odprava bo še večja.
Potem je seveda vprašanje, da CRISPR pri človeških zarodkih ni deloval zelo dobro, in njegove novejše povezave z rakom.
CRISPR-Cas9: Kdo ga ima v lasti?
Na to vprašanje ni preprosto odgovoriti. Zanj se neprestano bije patent - presenetljivo je, da se CRISPR naravno pojavlja v nekaterih bakterijah.
Pregled tehnologijepojasnjuje to, čeprav je bil CRISPR-Cas9 prvič opisan vZnanostleta 2012 je Jennifer Doudna iz UC Berkeley Feng Zhang z Inštituta Broad osvojil patent za tehniko s predložitvijo laboratorijskih zvezkov, ki dokazujejo, da jo je izumil prvi.
Najprej je treba vložiti patentne pravice, pomeni, da bi to moralo biti dodeljeno Doudni, vendar bi se o odločitvi lahko odločilo na podlagi prvega izuma pravil, ki bi bila naklonjena Zhangu. Na koncu, primer je bil rešen februarja 2017 , ko je ameriški preskusni in pritožbeni odbor ZDA odločil, da bo UC Berkeley podelil patent za uporabo CRISPR-Cas9 v kateri koli živi celici, medtem ko ga bo Broad dobil v kateri koli evkariontski celici - se pravi celicah rastlin in živali.
Slike: Petra B Fritz , VeeDunn , Galerija slik NIH , in Steve Jurvetson uporablja pod Creative Commons
