Egyszerű útmutató a CRISPR-ről, az évtized egyik legnagyobb tudományos sztorijáról

Az elmúlt évek egyik legnagyobb és legfontosabb tudományos sztorija valószínűleg a következő évek egyik legnagyobb tudományos sztorija is lesz. Ez tehát a legalkalmasabb alkalom arra, hogy megismerkedjünk a CRISPR néven ismert nagyhatású új génszerkesztő technológiával.

Ha még nem hallottál a CRISPR-ről, a rövid magyarázat a következőképpen hangzik: Az elmúlt kilenc évben a tudósok rájöttek, hogyan lehet a baktériumok immunrendszerének egy furcsaságát kihasználva más szervezetek – növények, egerek, sőt emberek – génjeit is szerkeszteni. A CRISPR segítségével most már gyorsan és olcsón, hetek vagy hónapok helyett napok alatt el tudják végezni ezeket a szerkesztéseket. (A technológiát gyakran CRISPR/Cas9 néven ismerik, de mi maradunk a CRISPR-nél, amelyet “crisper”-nek ejtünk.)

Egy új, hatékony eszközről beszélünk, amellyel szabályozhatjuk, hogy mely gének fejeződjenek ki a növényekben, állatokban, sőt még az emberekben is; a nemkívánatos tulajdonságok törlése és potenciálisan a kívánatos tulajdonságok hozzáadása minden eddiginél nagyobb pontossággal lehetséges.

A tudósok eddig arra használták, hogy csökkentsék a genetikai süketség súlyosságát egereknél, ami azt sugallja, hogy egy napon az embereknél ugyanilyen típusú halláskárosodás kezelésére is felhasználható lesz. Olyan gombákat hoztak létre, amelyek nem barnulnak meg könnyen, és egerek csontvelősejtjeit szerkesztették a sarlósejtes vérszegénység kezelésére. A későbbiekben a CRISPR segíthet a szárazságtűrő növények kifejlesztésében és új, hatékony antibiotikumok létrehozásában. A CRISPR segítségével egy napon akár a maláriát terjesztő szúnyogok teljes populációit is kiirthatjuk, vagy feltámaszthatjuk az egykor kihalt fajokat, például az utazó galambot.

A nagy aggodalomra ad okot, hogy bár a CRISPR viszonylag egyszerű és erős, mégsem tökéletes. A tudósok nemrégiben megtudták, hogy a génszerkesztés megközelítése véletlenül nagy DNS-területeket törölhet ki és rendezhet át olyan módon, amely veszélyeztetheti az emberi egészséget. A közelmúltban végzett tanulmányok azt mutatták, hogy a CRISPR által szerkesztett sejtek véletlenül rákot válthatnak ki. Ezért sok tudós azt állítja, hogy az embereken végzett kísérletek még koraiak: A CRISPR-módosítással kapcsolatos kockázatok és bizonytalanságok rendkívül magasak.

Ezzel kapcsolatban 2018 sokkoló híreket hozott: novemberben egy kínai tudós, He Jiankui bejelentette, hogy létrehozta a világ első emberi csecsemőit CRISPR-szel módosított génekkel: egy HIV-re rezisztens ikerlánypárt.

A bejelentés világszerte megdöbbentette a tudósokat. A Nemzeti Egészségügyi Intézetek igazgatója, Francis Collins szerint a kísérlet “mélységesen nyugtalanító, és lábbal tiporja az etikai normákat.”

A kísérlet több kérdést vetett fel, mint amennyit megválaszolt: Jiankui valóban megcsinálta? Dicséretet vagy elítélést érdemel? Le kell-e fékezni a CRISPR-kutatásokat?

Míg független kutatók még nem erősítették meg, hogy Jiankui sikeres volt, más CRISPR-alkalmazások is közel állnak a megvalósuláshoz, az új betegségterápiáktól kezdve a malária elleni új taktikákig. Íme tehát egy alapvető útmutató arról, hogy mi is az a CRISPR, és mire képes.

Mi a fene az a CRISPR?

Ha meg akarjuk érteni a CRISPR-t, vissza kell mennünk 1987-ig, amikor az E. coli baktériumot tanulmányozó japán tudósok először találkoztak néhány szokatlan ismétlődő szekvenciával a szervezet DNS-ében. “E szekvenciák biológiai jelentősége – írták – ismeretlen”. Idővel más kutatók is találtak hasonló klasztereket más baktériumok (és archaea) DNS-ében. Ezeknek a szekvenciáknak nevet adtak: Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats – vagy CRISPR.

Mégis e CRISPR-szekvenciák funkciója többnyire rejtély volt egészen 2007-ig, amikor a joghurtkészítéshez használt Streptococcus baktériumot vizsgáló élelmiszerkutatók kimutatták, hogy ezek a furcsa klaszterek valójában létfontosságú funkciót töltenek be: A baktériumok immunrendszerének részei.

A baktériumokat folyamatosan támadják a vírusok, ezért enzimeket termelnek a vírusfertőzések leküzdésére. Amikor egy baktérium enzimeinek sikerül elpusztítaniuk egy betolakodó vírust, más kis enzimek jönnek, felkapják a vírus genetikai kódjának maradványait, és apró darabokra vágják. Az enzimek aztán ezeket a töredékeket a baktérium saját genomjában lévő CRISPR-helyeken tárolják.

Most jön az okos rész: A CRISPR-helyek úgy működnek, mint a vírusok gazemberek tárháza, és a baktériumok az ezeken a helyeken tárolt genetikai információkat használják fel a jövőbeli támadások kivédésére. Amikor új vírusfertőzés történik, a baktériumok speciális, Cas9 néven ismert támadóenzimeket termelnek, amelyek a vírus genetikai kódjának ezeket a tárolt darabjait úgy hordozzák magukkal, mint egy bűnözői képet. Amikor ezek a Cas9 enzimek egy vírusra bukkannak, megnézik, hogy a vírus RNS-e megegyezik-e a képen szereplővel. Ha van egyezés, a Cas9 enzim elkezdi feldarabolni a vírus DNS-ét, hogy semlegesítse a fenyegetést. Kicsit így néz ki:

Ez tehát a CRISPR/Cas9 feladata. Egy ideig ezek a felfedezések a mikrobiológusokon kívül senkit sem érdekeltek – egészen addig, amíg egy sor további áttörés nem történt.

Hogyan forradalmasította a CRISPR a génszerkesztést?

2011-ben Jennifer Doudna a Kaliforniai Berkeley Egyetemről és Emmanuelle Charpentier a svédországi Umeå Egyetemről azon töprengett, hogyan is működik valójában a CRISPR/Cas9 rendszer. Hogyan illesztette össze a Cas9 enzim a bögrékben lévő RNS-t a vírusokban lévővel? Honnan tudta az enzim, hogy mikor kell elkezdeni a vágást?

A tudósok hamarosan rájöttek, hogy a Cas9 fehérjét mesterséges RNS – egy hamis bűnözői felvétel – etetésével “becsaphatják”. Amikor ezt megtették, az enzim mindent megkeresett, ami ugyanezzel a kóddal rendelkezett, nem csak a vírusokat, és elkezdett aprítani. Doudna, Charpentier és Martin Jinek egy 2012-es, mérföldkőnek számító tanulmányban megmutatták, hogy ezzel a CRISPR/Cas9 rendszerrel bármilyen genomot fel tudnak vágni bármilyen helyen.

Míg a technikát addig csak kémcsövekben lévő molekulákon mutatták be, a következmények lélegzetelállítóak voltak.

A további előrelépések következtek. Feng Zhang, a bostoni Broad Institute tudósa 2013 februárjában társszerzőként írt egy tanulmányt a Science című folyóiratban, amelyben bemutatta, hogy a CRISPR/Cas9 alkalmazható tenyésztett egérsejtek vagy emberi sejtek genomjának szerkesztésére. A Science ugyanebben a számában a Harvardon dolgozó George Church és csapata megmutatta, hogyan lehet egy másik CRISPR-technikát emberi sejtek szerkesztésére használni.

Azóta a kutatók megállapították, hogy a CRISPR/Cas9 elképesztően sokoldalú. A tudósok nemcsak arra tudják használni a CRISPR-t, hogy “elhallgattassanak” géneket a kivágásukkal, hanem arra is, hogy javító enzimeket használjanak fel, hogy a kívánt génekkel helyettesítsék a kivágók által hagyott “lyukat” (bár ez utóbbi technikát nehezebb kivitelezni). Így például a tudósok utasíthatják a Cas9 enzimet, hogy vágjon ki egy Huntington-kórt okozó gént, és helyére egy “jó” gént illesszen be.

A génszerkesztés maga nem új. A gének kiiktatására szolgáló különböző technikák már évek óta léteznek. Ami a CRISPR-t olyan forradalmivá teszi, az a precizitása: A Cas9 enzim többnyire oda megy, ahová mondjuk neki. És hihetetlenül olcsó és egyszerű: a múltban több ezer dollárba és hetekig vagy hónapokig tartó babrálásba került volna egy gén megváltoztatása. Most ez mindössze 75 dollárba kerülhet, és csak néhány órát vesz igénybe. És ez a technika minden organizmuson működött, amin kipróbálták.

Ez ma az egyik legforróbb terület. A CRISPR-ről 2011-ben kevesebb mint 100 publikáció jelent meg. A CRISPR finomításai, a gének manipulálásának új technikái, a precizitás javulása és még sok minden más. 2018-ban már több mint 17 000-et írtak. “Ez olyan gyorsan fejlődő területté vált, hogy már én is nehezen tudok lépést tartani” – mondja Doudna. “Eljutottunk arra a pontra, ahol a génszerkesztés hatékonysága olyan szintet ér el, amely egyértelműen hasznos lesz terápiás szempontból, valamint számos más alkalmazásban is.”

Azóta heves jogi csatározások zajlanak arról, hogy pontosan kinek is jár a CRISPR-technológia, és kié a potenciálisan jövedelmező jogok. Doudna 2012-es, a Kaliforniai Berkeley Egyetemen írt tanulmánya jelentette az áttörést, vagy Zhang 2013-as, a Broad Institute-ban végzett kutatása volt a kulcsfontosságú előrelépés? Szeptemberben egy szövetségi fellebbviteli bíróság elutasította a Kaliforniai Berkeley Egyetem érvelését, miszerint az iskola kizárólagos jogokkal rendelkezik a CRISPR szabadalmakra, és helyt adott a Broad Institute egyes CRISPR-alkalmazások szabadalmainak.

A lényeg azonban az, hogy a CRISPR megérkezett.

Szóval mire használhatjuk a CRISPR-t?

Szóval. Sokan. Things.

Paul Knoepfler, a UC Davis School of Medicine docense a Voxnak elmondta, hogy a CRISPR miatt úgy érzi magát, mint egy “gyerek az édességboltban.”

A legalapvetőbb szinten a CRISPR sokkal könnyebbé teheti a kutatók számára, hogy kitalálják, mit is csinálnak valójában a különböző gének a különböző organizmusokban – például úgy, hogy kiütnek egyes géneket, és megnézik, milyen tulajdonságokra van ez hatással. Ez fontos: bár 2003 óta rendelkezünk az emberi genom teljes “térképével”, nem igazán tudjuk, hogy ezek a gének milyen funkciót töltenek be. A CRISPR segíthet felgyorsítani a genomszűrést, és a genetikai kutatások ennek eredményeképpen tömegesen fejlődhetnek.

A kutatók azt is felfedezték, hogy számos CRISPR létezik. A CRISPR tehát valójában egy elég tág fogalom. “Olyan, mint a ‘gyümölcs’ kifejezés – egy egész kategóriát ír le” – mondta a Broad’s Zhang. Amikor az emberek a CRISPR-ről beszélnek, általában a CRISPR/Cas9 rendszerre utalnak, amelyről itt már beszéltünk. Az elmúlt években azonban a Zhanghoz hasonló kutatók más típusú CRISPR-fehérjéket is találtak, amelyek szintén génszerkesztőként működnek. A Cas13 például képes szerkeszteni a DNS testvérét, az RNS-t. “A Cas9 és a Cas13 olyan, mint az alma és a banán” – tette hozzá Zhang.”

Az igazi móka – és potenciálisan az igazi kockázatok – a CRISPR-ek különböző növények és állatok szerkesztésére való felhasználásával jöhetnek. A Nature Biotechnology című folyóiratban Rodolphe Barrangou és Doudna 2016-ban megjelent tanulmánya felsorolta a lehetséges jövőbeli alkalmazások egész sorát:

1) A növények táplálóbbá szerkesztése: A növénytermesztéssel foglalkozó tudósok már most is igyekeznek a CRISPR segítségével szerkeszteni a különböző növények génjeit, hogy azok ízletesebbek vagy táplálóbbak legyenek, illetve jobban bírják a hőséget és a stresszt. A CRISPR segítségével potenciálisan ki lehetne nyesegetni az allergéneket a földimogyoróból. Koreai kutatók azt vizsgálják, hogy a CRISPR segíthet-e a banánnak túlélni egy halálos gombabetegséget. Egyes tudósok kimutatták, hogy a CRISPR segítségével szarv nélküli tejelő teheneket lehet létrehozni – ami hatalmas előrelépés az állatjólét szempontjából.

A közelmúltban olyan nagyvállalatok, mint a Monsanto és a DuPont elkezdték a CRISPR technológia licencelését, remélve, hogy értékes új növényfajtákat fejleszthetnek ki. Bár ez a technika nem fogja teljesen helyettesíteni a hagyományos GMO-technikákat, amelyek a géneket egyik szervezetből a másikba ültetik át, a CRISPR egy sokoldalú új eszköz, amely segíthet a kívánt növényi tulajdonságokkal összefüggő gének sokkal gyorsabb azonosításában. Azt is lehetővé teheti a tudósok számára, hogy a kívánt tulajdonságokat pontosabban illesszék be a növényekbe, mint a hagyományos nemesítés, amely a gének kicserélésének sokkal rendezetlenebb módja.

“A genomszerkesztéssel olyan dolgokat is megtehetünk, amelyeket korábban nem tudtunk” – mondja Pamela Ronald, a Kaliforniai Egyetem Davis Egyetemének növénygenetikusa. Ugyanakkor figyelmeztet arra, hogy ez csak egy eszköz a terménymódosítás számos eszköze közül – és az új fajták sikeres nemesítése még évekig tartó teszteléseket igényelhet.

Az is elképzelhető, hogy ezek az új eszközök vitákat váltanak ki. Azokat az élelmiszereket, amelyeknél a CRISPR segítségével kiütöttek néhány gént, jelenleg könnyebben szabályozzák, mint a hagyományos GMO-kat. A washingtoni politikai döntéshozók jelenleg arról vitatkoznak, hogy van-e értelme újragondolni a szabályozást. Az Ensia számára Maywa Montenegro írása a CRISPR által a mezőgazdaságban felvetett viták némelyikét járja körül.

2) Új eszközök a genetikai betegségek megállítására: A tudósok most a CRISPR/Cas9 segítségével szerkesztik az emberi genomot, és megpróbálják kiütni az olyan genetikai betegségeket, mint a hipertrófiás kardiomiopátia. Azt is vizsgálják, hogy a Huntington-kórt vagy cisztás fibrózist okozó mutációk esetében is alkalmazzák-e, és tárgyalnak arról, hogy kipróbálják a mell- és petefészekrákhoz kapcsolódó BRCA-1 és 2 mutációk esetében is. A tudósok még azt is kimutatták, hogy a CRISPR képes kiütni a HIV-fertőzést a T-sejtekből.

A tudósok azonban eddig csak laboratóriumi sejteken tesztelték ezt. Még néhány akadályt kell leküzdeni, mielőtt bárki is elkezdené a klinikai kísérleteket valódi embereken. A Cas9 enzimek például időnként “félresikerülhetnek”, és váratlan helyeken szerkeszthetik a DNS-t, ami az emberi sejtekben rákhoz vezethet, vagy akár új betegségeket is létrehozhat. Ahogy Allan Bradley genetikus, az angliai Wellcome Sanger Intézet munkatársa a STAT-nak elmondta, a CRISPR azon képességét, hogy pusztítást végezzen a DNS-ben, “súlyosan alábecsülték.”

És bár jelentős előrelépések történtek a CRISPR pontosságának javítása és az ilyen célon kívüli hatások csökkentése terén, a tudósok óvatosságra intenek az emberi teszteléssel kapcsolatban. Ez az egyik fő oka annak, hogy Jiankui kísérletei a CRISPR-rel módosított genommal rendelkező emberi babák előállítására olyan ellentmondásosak és riasztóak. A Jiankui által nyilvánosan nyilvánosságra hozott néhány eredményt vizsgáló kutatók szerint az eredmények azt mutatják, hogy a csecsemők génjeit nem pontosan szerkesztették. A szerkesztő molekulák konkrét sejtekbe történő tényleges eljuttatásával kapcsolatban is rengeteg munka vár még ránk – ez a jövő egyik legnagyobb kihívása.

3) Erőteljes új antibiotikumok és vírusellenes szerek: Az egyik legijesztőbb közegészségügyi tény, hogy egyre fogynak a hatékony antibiotikumok, mivel a baktériumok ellenük rezisztenciát fejlesztenek. Jelenleg nehéz és költséges új antibiotikumokat kifejleszteni a halálos fertőzésekre. A CRISPR/Cas9 rendszereket azonban elméletileg ki lehetne fejleszteni bizonyos baktériumok minden eddiginél pontosabb kiirtására (bár a beviteli mechanizmusok kitalálása ismét kihívást jelent). Más kutatók olyan CRISPR-rendszereken dolgoznak, amelyek olyan vírusokat céloznak meg, mint a HIV és a herpesz.

4) Génmeghajtások, amelyek egész fajokat változtathatnak meg: A tudósok azt is bebizonyították, hogy a CRISPR elméletileg nemcsak egyetlen szervezet, hanem egy egész faj módosítására is használható. Ez egy idegborzoló koncepció, amelyet “génhajtásnak” neveznek.”

Ez így működik: Normális esetben, amikor egy organizmus, például egy gyümölcslégy párosodik, 50-50% az esélye annak, hogy egy adott gént átad az utódainak. A CRISPR segítségével azonban a tudósok meg tudják változtatni ezt az esélyt, így közel 100 százalékos esély van arra, hogy egy adott gén átöröklődik. Ezzel a génmeghajtással a tudósok biztosíthatják, hogy egy módosított gén rövid időn belül egy egész populációban elterjedjen:

Ezt a technikát kihasználva a tudósok mondjuk genetikailag módosíthatják a szúnyogokat, hogy csak hím utódokat hozzanak létre, majd génmeghajtással ezt a tulajdonságot egy egész populációra kiterjeszthetik. Idővel a populáció kipusztulna. “Vagy egyszerűen hozzáadhatnánk egy gént, amely ellenállóvá teszi őket a malária parazitával szemben, megakadályozva annak átvitelét az emberre” – magyarázza Dylan Matthews, a Vox munkatársa a CRISPR génmeghajtások a malária ellen.

Elég, ha azt mondjuk, hogy vannak akadályok is, amelyeket le kell küzdeni, mielőtt ez a technológia tömegesen elterjedne – és nem feltétlenül azok, amelyekre az ember számítana. “A malária-génmeghajtások problémája hamarosan inkább a politika és a kormányzás problémájává válik, mint a biológia problémájává” – írja Matthews. A szabályozóknak ki kell találniuk, hogyan kezeljék ezt a technológiát, az etikusoknak pedig meg kell küzdeniük az igazságossággal kapcsolatos kényes kérdésekkel.

5) “Tervezett babák” létrehozása: Ez kapja a legtöbb figyelmet, és jogosan. Nem teljesen elrugaszkodott gondolat, hogy egy nap talán eléggé biztosak leszünk a CRISPR biztonságosságában ahhoz, hogy az emberi genom szerkesztésére használjuk – a betegségek megszüntetésére, vagy az atletikusság vagy a kiváló intelligencia szelektálására.

De Jiankui nemrég tett kísérlete, hogy a terhességre szánt embriókba HIV elleni védelmet vezessen be, ami kevés felügyeletet igényelt, nem azt jelenti, hogy a legtöbb tudós szeretné, ha a terület előrehaladna.

Az aggodalom az, hogy még nincsenek elég biztosítékok a károk megelőzésére, sem elég tudás a határozott jóhoz. Jiankui esetében ráadásul nem tájékoztatta előre az egyetemét a kísérletéről, valószínűleg nem tájékoztatta teljes körűen a módosított babák szüleit a kockázatokról, és valószínűleg a vele kapcsolatban álló két biotechnológiai cég pénzügyi ösztönzést is kapott.

Még közel sem tartunk ahhoz a ponthoz, hogy a tudósok biztonságosan elvégezhessék azokat az összetett változtatásokat, amelyek például az intelligencia javításához szükségesek, részben azért, mert ez olyan sok gént érint. Szóval még ne álmodozzunk Gattacáról.

“Azt hiszem, a valóság az, hogy még nem értünk eleget az emberi genomról, arról, hogy a gének hogyan hatnak egymásra, mely gének eredményeznek bizonyos tulajdonságokat, a legtöbb esetben ahhoz, hogy ma már lehetővé tegyük a fejlesztést célzó szerkesztést” – mondta Doudna 2015-ben. Mégis hozzátette: “Ez idővel változni fog.”

Várjunk csak, tényleg tervező babákat kellene létrehoznunk?

A génszerkesztéssel kapcsolatos összes kényes kérdés miatt sok tudós a lassú megközelítés mellett érvel. Arra is törekednek, hogy a technológiáról folytatott beszélgetés nyitott és átlátható maradjon, hogy a közvélemény bizalmát megteremtsék, és elkerüljék a GMO-kkal elkövetett hibák némelyikét. A CRISPR könnyű használhatósága és alacsony költségei miatt azonban kihívást jelent a gazemberkísérletek kordában tartása.

2017 februárjában a Nemzeti Tudományos Akadémia jelentése szerint a klinikai kísérletek a jövőben “szigorú felügyelet mellett, súlyos körülmények között” zöld utat kaphatnak. De azt is világossá tette, hogy “a génállomány javítására irányuló génszerkesztést jelenleg nem szabad engedélyezni.”

A társadalomnak még meg kell küzdenie az összes etikai megfontolással. Ha például szerkesztenénk egy csíravonalat, a jövő generációi nem tudnának kivonulni belőle. A genetikai változásokat nehéz lenne visszacsinálni. Még ez az álláspont is aggaszt néhány kutatót, például Francis Collinst a National Institutes of Health-től, aki kijelentette, hogy az amerikai kormány nem fogja finanszírozni az emberi embriók genomikai szerkesztését.

Eközben az amerikai kutatók, akik saját finanszírozást tudnak szerezni, másokkal együtt Nagy-Britanniában, Svédországban és Kínában is folytatják saját kísérleteiket.

Közelebbi olvasmány

• Julia Belluz megvitatta He Jiankui megdöbbentő bejelentésének következményeit a szerkesztett genommal rendelkező emberi babákról és az amerikai CRISPR-klinikák kilátásairól.
• Beszámoltunk két CRISPR-eszközről is, amelyekkel leküzdhetők a génszerkesztés legijesztőbb részei.
• Ezra Klein októberi podcastjában interjút készített a UC Berkeley-i Jennifer Doudnával, a CRISPR egyik vezető kutatójával.
• Michael Specter “Rewriting the Code of Life” című írása a New Yorkerben.
• Carl Zimmer már régóta foglalkozik a CRISPR-rel. A Quantában 2015-ben megjelent írását érdemes elolvasni.
• Sharon Begley szintén a CRISPR-rel foglalkozik, és nemrég a génszerkesztés lehetséges ártalmairól szóló legújabb tanulmányokat bontotta ki.
• A Nature 2016-ban a CRISPR néhány finom korlátját vizsgálta – és a további génszerkesztő eszközök keresését. Ez a Heidi Ledford által írt korábbi Nature-darab pedig egy kellemesen furcsa merülés a kutatók által a CRISPR segítségével a genom feltárására használható módokba. Érdemes megnézni ezt a cikket is, amely a CRISPR összes jövőbeli alkalmazását felsorolja.