Prosty przewodnik po CRISPR, jednej z największych historii naukowych dekady

Kompleks do edycji genówCRISPR/Cas9 ze Streptococcus pyogenes. Białko nukleazy Cas9 wykorzystuje sekwencję przewodnika RNA do cięcia DNA w komplementarnym miejscu. Białko Cas9 czerwone, DNA żółte, RNA niebieskie.

Javier Zarracina/Vox

Co mnie teraz czeka?

Więc. Many. Things.

Paul Knoepfler, profesor nadzwyczajny w UC Davis School of Medicine, powiedział Voxowi, że CRISPR sprawia, że czuje się jak „dziecko w sklepie ze słodyczami.”

Na najbardziej podstawowym poziomie CRISPR może znacznie ułatwić badaczom ustalenie, co tak naprawdę robią różne geny w różnych organizmach – na przykład poprzez wybijanie poszczególnych genów i sprawdzanie, jakie cechy są dotknięte. To ważne: choć od 2003 roku dysponujemy kompletną „mapą” ludzkiego genomu, tak naprawdę nie wiemy, jaką funkcję pełnią wszystkie te geny. CRISPR może przyspieszyć badanie genomu, a badania genetyczne mogą dzięki temu znacznie się rozwinąć.

Badacze odkryli również, że istnieje wiele CRISPR-ów. Tak więc CRISPR to tak naprawdę dość szeroki termin. „To jak termin 'owoc’ – opisuje całą kategorię,” powiedział Zhang z Broad. Kiedy ludzie mówią o CRISPR, zazwyczaj mają na myśli system CRISPR/Cas9, o którym tutaj mówiliśmy. Jednak w ostatnich latach badacze tacy jak Zhang odkryli inne rodzaje białek CRISPR, które również działają jako edytory genów. Cas13, na przykład, może edytować siostrę DNA, RNA. „Cas9 i Cas13 są jak jabłka i banany”, dodał Zhang.

Prawdziwa zabawa – i, potencjalnie, prawdziwe ryzyko – może pochodzić z używania CRISPR do edycji różnych roślin i zwierząt. W artykule z 2016 r. w Nature Biotechnology Rodolphe Barrangou i Doudna wymienili szereg potencjalnych przyszłych zastosowań:

1) Edycja upraw, aby były bardziej pożywne: naukowcy zajmujący się uprawami już teraz chcą wykorzystać CRISPR do edycji genów różnych upraw, aby uczynić je smaczniejszymi, bardziej pożywnymi lub lepiej radzącymi sobie z upałem i stresem. Potencjalnie mogliby oni wykorzystać CRISPR do usuwania alergenów z orzeszków ziemnych. Koreańscy naukowcy sprawdzają, czy CRISPR mógłby pomóc bananom przetrwać śmiertelną chorobę grzybiczą. Niektórzy naukowcy wykazali, że dzięki CRISPR można stworzyć krowy mleczne pozbawione rogów, co stanowi ogromny postęp dla dobrostanu zwierząt.

Ostatnio duże firmy, takie jak Monsanto i DuPont, zaczęły udzielać licencji na technologię CRISPR, mając nadzieję na opracowanie nowych, cennych odmian roślin uprawnych. Chociaż technika ta nie zastąpi całkowicie tradycyjnych technik GMO, które mogą przeszczepiać geny z jednego organizmu do drugiego, CRISPR jest nowym, wszechstronnym narzędziem, które może pomóc w szybszej identyfikacji genów związanych z pożądanymi cechami upraw. Może również pozwolić naukowcom na wprowadzenie pożądanych cech do upraw bardziej precyzyjnie niż w przypadku tradycyjnej hodowli, która jest o wiele bardziej niechlujnym sposobem na zamianę genów.

„Dzięki edycji genomu możemy absolutnie robić rzeczy, których nie mogliśmy robić wcześniej” – mówi Pamela Ronald, genetyk roślin z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis. Ostrzega jednak, że jest to tylko jedno z wielu narzędzi do modyfikacji upraw, a skuteczne wyhodowanie nowych odmian może zająć lata testów.

Możliwe jest również, że te nowe narzędzia mogą wzbudzić kontrowersje. Żywność, która miała kilka genów znokautowanych przez CRISPR są obecnie regulowane bardziej lekko niż tradycyjne GMO. Politycy w Waszyngtonie debatują obecnie nad tym, czy byłoby sensowne ponowne przemyślenie przepisów w tym zakresie. Maywa Montenegro w artykule dla Ensia zagłębia się w niektóre z debat, jakie CRISPR wywołuje w rolnictwie.

2) Nowe narzędzia do powstrzymania chorób genetycznych: Naukowcy używają obecnie CRISPR/Cas9 do edycji ludzkiego genomu i próbują wyeliminować choroby genetyczne, takie jak kardiomiopatia przerostowa. Badają również mutacje powodujące chorobę Huntingtona lub mukowiscydozę, a także zastanawiają się nad zastosowaniem CRISPR do mutacji BRCA-1 i 2 związanych z rakiem piersi i jajników. Naukowcy wykazali nawet, że CRISPR może wybić infekcje HIV z komórek T.

Do tej pory jednak naukowcy testowali to tylko na komórkach w laboratorium. Wciąż jest kilka przeszkód do pokonania, zanim ktokolwiek rozpocznie próby kliniczne na prawdziwych ludziach. Na przykład, enzymy Cas9 mogą czasami „źle wystrzelić” i edytować DNA w nieoczekiwanych miejscach, co w ludzkich komórkach może prowadzić do raka lub nawet tworzyć nowe choroby. Jak powiedział STAT genetyk Allan Bradley z Wellcome Sanger Institute w Anglii, zdolność CRISPR do siania spustoszenia w DNA została „poważnie niedoceniona.”

I chociaż poczyniono znaczne postępy w poprawieniu precyzji CRISPR i zmniejszeniu efektów poza celem, naukowcy nalegają na ostrożność w testach na ludziach. To główny powód, dla którego eksperymenty Jiankui polegające na produkcji ludzkich dzieci z genomami zedytowanymi przez CRISPR są tak kontrowersyjne i niepokojące. Naukowcy, którzy przeanalizowali nieliczne wyniki badań, które Jiankui publicznie ujawnił, stwierdzili, że wykazały one, iż geny dzieci nie zostały precyzyjnie zredagowane. Pozostaje również wiele do zrobienia w zakresie faktycznego dostarczania cząsteczek edycyjnych do poszczególnych komórek – co stanowi poważne wyzwanie na przyszłość.

3) Potężne nowe antybiotyki i leki przeciwwirusowe: Jednym z najbardziej przerażających faktów dotyczących zdrowia publicznego jest to, że kończy nam się zapas skutecznych antybiotyków, ponieważ bakterie rozwijają na nie odporność. Obecnie opracowanie nowych antybiotyków na śmiertelne infekcje jest trudne i kosztowne. Systemy CRISPR/Cas9 można jednak teoretycznie opracować tak, by eliminowały pewne bakterie dokładniej niż kiedykolwiek wcześniej (choć znów wyzwaniem będzie opracowanie mechanizmów ich przenoszenia). Inni badacze pracują nad systemami CRISPR ukierunkowanymi na wirusy takie jak HIV i opryszczka.

4) Napędy genowe, które mogłyby zmienić całe gatunki: Naukowcy wykazali również, że CRISPR może być teoretycznie wykorzystywany do modyfikowania nie tylko pojedynczego organizmu, ale całego gatunku. Jest to niepokojąca koncepcja zwana „napędem genowym”.”

Działa to w następujący sposób: Normalnie, gdy organizm taki jak muszka owocowa kojarzy się, istnieje 50-50 szans, że przekaże on dany gen swojemu potomstwu. Ale używając CRISPR, naukowcy mogą zmienić te szanse tak, że istnieje prawie 100 procent szans, że dany gen zostanie przekazany dalej. Używając tego napędu genowego, naukowcy mogliby zapewnić, że zmieniony gen rozprzestrzeni się w całej populacji w krótkim czasie:

Wykorzystując tę technikę, naukowcy mogliby, powiedzmy, genetycznie zmodyfikować komary, aby produkowały tylko męskie potomstwo – a następnie użyć napędu genowego, aby przepchnąć tę cechę przez całą populację. Z czasem populacja wyginęłaby. „Można też dodać gen, który uodporni je na pasożyta malarii, zapobiegając jego przenoszeniu na ludzi”, wyjaśnia Dylan Matthews z Vox w swojej opowieści o napędach genowych CRISPR dla malarii.

Dość powiedzieć, że istnieją również przeszkody, które trzeba pokonać, zanim technologia ta zostanie masowo wprowadzona na rynek – i to niekoniecznie te, których można się spodziewać. „Problem napędów genowych dla malarii szybko staje się problemem polityki i zarządzania, bardziej niż problemem biologii” – pisze Matthews. Organy regulacyjne będą musiały dowiedzieć się, jak poradzić sobie z tą technologią, a etycy będą musieli zmierzyć się z trudnymi pytaniami o jej sprawiedliwość.

5) Tworzenie „dzieci projektantów”: To jest ten, który dostaje najwięcej uwagi, i słusznie. Nie jest całkowicie nieprawdopodobne, że pewnego dnia będziemy na tyle pewni bezpieczeństwa CRISPR, aby użyć go do edycji ludzkiego genomu – w celu wyeliminowania chorób, selekcji pod kątem atletyzmu lub wyższej inteligencji.

Ale ostatnia próba Jiankui wprowadzenia ochrony przed HIV w embrionach przeznaczonych do ciąży, która wymagała niewielkiego nadzoru, nie jest tym, czego większość naukowców chce, aby ta dziedzina posuwała się naprzód.

Obawa polega na tym, że nie ma jeszcze wystarczających zabezpieczeń, aby zapobiec szkodom, ani wystarczającej wiedzy, aby czynić zdecydowane dobro. W przypadku Jiankui, on również nie poinformował swojego uniwersytetu o swoim eksperymencie z wyprzedzeniem, prawdopodobnie nie poinformował w pełni rodziców zmodyfikowanych dzieci o ryzyku z tym związanym i mógł mieć zachętę finansową od swoich dwóch powiązanych firm biotechnologicznych.

Nie jesteśmy nawet blisko punktu, w którym naukowcy mogliby bezpiecznie dokonać złożonych zmian potrzebnych, na przykład, do poprawy inteligencji, częściowo dlatego, że dotyczy to tak wielu genów. Nie należy więc jeszcze marzyć o Gattace.

„Myślę, że rzeczywistość jest taka, że nie rozumiemy jeszcze wystarczająco dużo o ludzkim genomie, jak geny oddziałują na siebie, które geny dają początek pewnym cechom, w większości przypadków, aby umożliwić dziś edycję w celu ulepszenia”, powiedziała Doudna w 2015 roku. Dodała jednak: „To się z czasem zmieni.”

Czekajcie, czy naprawdę powinniśmy tworzyć designerskie dzieci?

Zważywszy na wszystkie trudne kwestie związane z edycją genów, wielu naukowców opowiada się za powolnym podejściem. Próbują oni również utrzymać otwartą i przejrzystą rozmowę na temat tej technologii, budować zaufanie publiczne i unikać niektórych błędów, które zostały popełnione w przypadku GMO. Ale dzięki łatwości użycia CRISPR i niskim kosztom, trudno jest utrzymać nieuczciwe eksperymenty w ryzach.

W lutym 2017 r. raport Narodowej Akademii Nauk powiedział, że badania kliniczne mogą być zielone światło w przyszłości „dla poważnych warunków pod ścisłym nadzorem”. Ale również jasno stwierdził, że „edycja genomu w celu wzmocnienia nie powinna być dozwolona w tym czasie.”

Społeczeństwo nadal musi zmagać się ze wszystkimi etycznymi względami, które wchodzą tu w grę. Na przykład, jeśli edytowalibyśmy linię germinalną, przyszłe pokolenia nie mogłyby z tego zrezygnować. Zmiany genetyczne mogłyby być trudne do cofnięcia. Nawet to stanowisko zaniepokoiło niektórych badaczy, takich jak Francis Collins z National Institutes of Health, który powiedział, że rząd USA nie będzie finansował żadnej edycji genomicznej ludzkich embrionów.

W międzyczasie badacze w USA, którzy mogą zdobyć własne fundusze, wraz z innymi w Wielkiej Brytanii, Szwecji i Chinach, posuwają się naprzód z własnymi eksperymentami.

Dalsza lektura

• Julia Belluz omówiła implikacje zaskakującego ogłoszenia He Jiankui o ludzkich dzieciach z edytowanymi genomami i perspektywach klinik CRISPR w USA.
• Odnotowaliśmy również dwa narzędzia CRISPR, które pokonują najstraszniejsze części edycji genów.
• Ezra Klein przeprowadził wywiad z Jennifer Doudna z UC Berkeley, jedną z czołowych badaczek CRISPR, w swoim podcaście w październiku.
• Michael Specter „Rewriting the Code of Life” w New Yorker.
• Carl Zimmer był na bicie CRISPR przez długi czas. Jego artykuł z 2015 roku w Quanta jest wart przeczytania.
• Sharon Begley również była na bicie CRISPR, a ostatnio rozpakowała najnowsze badania na temat potencjalnych szkód związanych z edycją genów.
• W 2016 roku Nature zbadało niektóre z subtelnych ograniczeń CRISPR – i poszukiwanie dodatkowych narzędzi do edycji genów. A ten wcześniejszy kawałek Nature autorstwa Heidi Ledford jest zachwycająco szalonym nurkowaniem w sposoby, w jakie naukowcy mogą wykorzystać CRISPR do badania genomu. Warto również sprawdzić ten artykuł wymieniający wszystkie przyszłe zastosowania CRISPR.