Se saattaa kuulostaa viljabrändiltä, mutta CRISPR on yksi merkittävimmistä genetiikan vallankumouksista elämässämme. Viime kuukausina on tullut esiin tarinoita tutkijoista, jotka käyttävät CRISPR-Cas-proteiineja muokkaamaan tehokkaasti DNA: n geneettisiä sekvenssejä, tappamaan HIV: tä, syömään Zikaa kuten Pac-man ja tallentaa GIF bakteerien DNA: han .
Silti CRISPR: n potentiaalista huolimatta se on uskomattoman kiistanalainen menettely. Se vaatii DNA-säikeiden leikkaamista ja muuttamista kokonaan ihmisen geneettisen koostumuksen muuttamiseksi, ja kahdessa uudessa tutkimuksessa on yhdistetty tällainen geeninmuokkaustekniikka syövän lisääntymiseen.
Paperit yksi kerrallaan Novartis ja toinen Karolinska-instituutti , julkaistuLuontolääketiede, päätelevät, että geeniterapiatekniikat voivat heikentää henkilön kykyä torjua kasvaimia ja voivat aiheuttaa syöpää, mikä herättää huolta CRISPR-pohjaisten geeniterapioiden turvallisuudesta.
Varmuuskopioidaan kuitenkin vähän.
Katso aiheeseen liittyvät Mitä kantasolut ovat ja miten ne voivat muuttaa lääkettä? Ihmisen päänsiirto: Kiistanalainen menettely onnistuneesti suoritettu ruumiille; live-menettely lähestyy
Kaksi paperia keskittyi geeniin p53. Aikaisemmat tutkimukset ovat havainneet, että tietyt ihmisen kasvaimet eivät voi kehittyä, jos p53-geeni toimii kuten pitäisi. Tämän seurauksena p53 toimii luonnollisena puolustusmekanismina suojaamaan genomia CRISPR-Cas9: n tekemiltä muutoksilta. Kun CRISPR-Cas9: ää käytetään henkilön geneettisen koostumuksen muokkaamiseen, p53-geeni hyppää puolustukseensa ja tappaa muokatut solut tehokkaasti tuhoamalla ne. Itse asiassa juuri tämä geeni on viivästyttänyt CRISPR-tekniikan edistymistä ja tehokkuutta useissa kokeissa.
Tapauksissa, joissa CRISPR-Cas9 on onnistuneesti muokannut henkilön genomia, se viittaa siihen, että tietyn solun p53-geeni on viallinen tai toimintahäiriöinen. Tämä puolestaan voidaan liittää siihen, että keho pystyy vähemmän torjumaan syöpää. Erityisesti viallinen p53 voi aiheuttaasolujen kasvaa hallitsemattomasti ja tulla syöpään, ja se on yhdistetty soluihinmunasarjojen, paksusuolen ja peräsuolen syöpä.
Poimimalla solut, jotka ovat onnistuneet korjaamaan vaurioituneen geenin, jonka aioimme korjata, voimme tahattomasti myös poimia soluja, joissa ei ole toiminnallista p53: ta, tutkimuksen kirjoittaja Emma Haapaniemi Karolinska-instituutista selitti . Jos ne siirretään potilaalle, kuten perinnöllisten sairauksien geeniterapiassa, tällaiset solut voivat aiheuttaa syöpää, mikä herättää huolta CRISPR-pohjaisten geeniterapioiden turvallisuudesta.
On kuitenkin huomattava, että yhteys syöpään ei ole sama kuin syövän aiheuttaminen, ja näiden kahden tutkimuksen tulokset ovat ns. Alustavia, mikä tarkoittaa lisätyötä tulosten vahvistamiseksi tai hylkäämiseksi. Tutkijat ovat jopa nopeasti etäisyyttä sanomaan CRISPR on vaarallinen. Sen sijaan he herättävät päteviä kysymyksiä ja neuvoo yrityksiä ja tutkijoita, jotka hyökkäävät eteenpäin kliinisiin kokeisiin, pitämään yhteyttä.
Tutkimukset keskittyvät myös hyvin tietyntyyppiseen CRISPR-muokkaustekniikkaan - Cas-9-proteiini, jota käytetään sairaan DNA: n korjaamiseen lisäämällä terveellistä, muokattua DNA: ta - ja lisätyötä tarvitaan sen selvittämiseksi, aiheuttavatko muut geenimuokkauksen muodot samanlaisia huolenaiheita. Salk-instituutin tutkijat ovat todellakin äskettäin yrittäneet torjua vastaavaa, aiempaa kritiikkiä. Geenien muokkaamisen sijaan niiden niin kutsuttu epigeneettinen (tai geenin yläpuolella oleva) CRISPR-menetelmä näyttäisi, että geenit kytketään päälle tai pois päältä eikä leikattu.
Muuntamalla epigenomia tutkijat pystyivät kontrolloimaan geenin käyttäytymistä muuttamatta mitään DNA: ta suoraan; geenien muokkaaminen pikemminkin kuin geenien muokkaus. Hiirillä tehdyissä kokeissa tutkijat käänsivät munuaissairauden, tyypin 1 diabeteksen ja lihasdystrofian muodon. Sillä on myös potentiaalia hävittää Alzheimerin tauti.
Mikä on CRISPR-Cas9?
CRISPR-Cas9 on genomin muokkaustyökalu, joka pystyy leikkaamaan DNA: ta kohdennetulla tavalla, jolloin tutkijat voivat muokata tarkasti elämän rakennuspalikoita. Tulet todennäköisesti huomaamaan sen mainitsevan hieman vähemmän kuuluisan CRISPR-Cas1- ja CRISPR-Cas2-duon rinnalla - molemmat liitoksella leikkaavat DNA-palaset bakteerin omaksi genomiksi (lisää myöhemmin).
Cas9 havaittiin ensimmäisen kerran 1980-luvulla osana yksisoluisten bakteerien puolustusmekanismeja, jotka varmistavat, että solut pystyvät poistamaan ei-toivotut tunkeilijat. Tutkijat ovat havainneet, että tekniikkaa mukauttamalla he pystyvät kohdistamaan genomisekvenssit ennennäkemättömällä nopeudella, tarkkuudella ja tarkkuudella.
Kuvaa CRISPR-Cas9 kuin löytö ja korvaa haku tietokone-asiakirjassa, vain sanojen sijaan muokkaat geneettisiä sekvenssejä.DNA: n tarkasti modifiointi on tieteellinen pyhä graali, ja potentiaali on valtava. Sitä voidaan käyttää sairauksien hävittämiseen - jopa perinnölliset sairaudet, kuten kystinen fibroosi, sirppisoluanemia ja Huntingtonin tauti, voivat olla menneisyyttä.
Nimi CRISPR on lyhenne vähemmän tarttuvalle ryhmittymälle, joka on säännöllisesti rajattu lyhyiden palindromisten toistojen kanssa. Cas-osa viittaa CRISPR-liitäntään.
CRISPR-Cas9: Kuinka se toimii?
CRISPR on osa tiettyjen bakteerien luonnossa esiintyviä puolustuskykyjä. Kun bakteeri havaitsee tunkeutuvan viruksen, se pystyy kopioimaan ja sekoittamaan vieraat DNA: n segmentit omaan genomiinsa CRISPR: n ympärillä. Cas9 tekee leikkauksen, kun taas Cas1 ja Cas2 lisäävät ulkoisen DNA: n solun genomiin.
Google on nyt muuntanut JPG-valokuviksi
Seuraavan kerran, kun virus havaitaan, CRISPR: llä on tarkka kopio genomisekvenssistä, johon Cas-proteiini tulee: se voi leikata DNA: n ja poistaa ei-toivotut geenit uskomattoman tarkasti.
Tai, kuten Carl Zimmer selittää : Kun CRISPR-alue täyttyy virus-DNA: lla, siitä tulee molekyylin halutuin galleria, joka edustaa vihollisia, joita mikrobi on kohdannut. Mikrobi voi sitten käyttää tätä virus-DNA: ta muuttaakseen Cas-entsyymit tarkasti ohjattuiksi aseiksi. Mikrobi kopioi kussakin välikappaleessa olevan geneettisen materiaalin RNA-molekyyliin. Cas-entsyymit ottavat sitten yhden RNA-molekyyleistä ja pitävät sen. Viruksen RNA ja Cas-entsyymit kulkeutuvat yhdessä solun läpi. Jos he kohtaavat CRISPR-RNA: ta vastaavan viruksen geneettisen materiaalin, RNA lukittuu tiukasti. Cas-entsyymit pilkkovat sitten DNA: n kahtia estäen viruksen replikaation.
Kalifornian yliopiston Berkeleyn tutkijat julkaisivat vuonna 2012 a uraauurtavaa paperia osoittaen, että he pystyivät ohjelmoimaan CRISPR-Cas-immuunijärjestelmän muokkaamaan geenejä haluamallaan tavalla. CRISPR-Cas9 käyttää spesifistä Cas-proteiinia ja hybridi-RNA: ta, joka voi tunnistaa ja muokata mitä tahansa geenisekvenssiä. Mahdollisuudet ovat valtavat.
Lyhyesti sanottuna CRISPR listaa kohdennettavat DNA-sekvenssit, ja sitten Cas9 tekee leikkauksen. Tutkijoiden on vain ohjelmoitava CRISPR oikealla koodilla, ja Cas9 tekee loput.
Tämä voi koskea myös viallisia geenejä - tällä hetkellä ongelmia aiheuttavat osat voidaan poistaa CRISPR-Cas9: llä ja korvata sitten terveellisellä geneettisellä koodilla, mikä teoriassa ratkaisee ongelman.
CRISPR-Cas9: Onko sitä käytetty ihmisillä?
Kyllä, Kiinassa . Hedelmällisyysklinikalta peräisin olevien ihmisalkioiden avulla tutkijat yrittivät käyttää CRISPR-Cas9: ää muokkaamaan geeniä, joka aiheuttaa beetasalassemiaa jokaisessa solussa. On huomattava, että käytetyt luovuttajaalkiot olivat elinkelvottomia eivätkä ne voineet johtaa elävään syntymään.
Joka tapauksessa se epäonnistui ja epäonnistui melko pahasti: 86 alkiota injektoitiin, ja 48 tunnin ja noin kahdeksan kasvaneen solun jälkeen 71 selviytyi ja 54 niistä testattiin geneettisesti. Vain 28 oli liitetty onnistuneesti, ja hyvin harvat sisälsivät tutkijoiden tarkoittaman geneettisen materiaalin.Jos haluat tehdä sen tavallisissa alkioissa, sinun on oltava lähellä 100%, johtava tutkija Jungiu Huang kertoiLuonto . Siksi pysähdyimme. Mielestämme se on edelleen liian epäkypsä.
Tämän lisäksi on erittäin todennäköistä, että on tehty enemmän dokumentoimattomia vahinkoja. Kuten New Yorkin ajat selittää :Kiinalaiset tutkijat huomauttavat, että geenien muokkaus aiheutti kokeissaan melkein varmasti laajempia vahinkoja kuin he dokumentoivat; he eivät tutkineet alkiosolujen koko genomia.
Kuten voitte kuvitella, se aiheutti valtavan määrän kiistaa tiedeyhteisössä.
Marraskuussa 2016 , toisesta kiinalaisten tutkijoiden ryhmästä tuli ensimmäinen, joka käytti CRISPR-Cas9: tä aikuisella ihmisellä, ruiskuttamalla keuhkosyöpäpotilaalle CRISPR: n muokkaamia potilaan immuunisoluja PD-1-proteiinin poistamiseksi käytöstä, jolloin teoriassa potilaan keho taisteli syöpää vastaan .
Sitten a tutkimus julkaistiin 3. elokuuta, tutkijat 'muokkaavat' ihmisalkioita onnistuneesti poistamalla viallisen DNA-segmentin, joka voi johtaa perinnöllisiin sydänsairauksiin. Se oli merkittävä saavutus ja tarjosi mahdollisuuksia ehkäistä noin 10000 yksittäisen mutaation geneettistä häiriötä (eli yhden viallisen geenin aiheuttamia sairauksia) tulevilla ihmisillä.
CRISPR-Cas9 ja etiikka
Vaikka kiinalaiset tiedemiehet käyttivät alkioita, jotka eivät kehittyneet elämään, ihmisalkioilla kokeilemisesta on todellisia eettisiä huolenaiheita - todellakin vain kuukautta ennen kiinalaisen tutkimuksen julkaisemista, ryhmä amerikkalaisia tutkijoita kehotti maailmaa olemaan tekemättä niin .
Osa tästä johtuu tekniikan kypsymättömyydestä - muista, että se on ollut aktiivisessa käytössä vasta vuodesta 2012, ja olisi hämmästyttävää, jos se olisi täysin kypsynyt tässä vaiheessa. Tutkijat varoittivat, että se oli liian väärinymmärretty ja vaarallinen käyttää ihmisille tässä vaiheessa, ja kiinalainen tutkimus todistaa varmasti tämän huolen. Vaikka se toimisi moitteettomasti, on huolta siitä, että odottamattomat seuraukset voivat ilmetä sukupolvien ajan.
Mutta vaikka se olisikin 100% turvallista ja onnistunutta, on muitakin eettisiä huolenaiheita: vaikka kukaan ei väitä, että meidän pitäisi pidättää mahdollisuutta hävittää tappajageneettiset sairaudet, kuten Huntingtonin ja kystinen fibroosi, CRISPR-Cas9 tarjoaa mahdollisuuden muuttaa mitään henkilöstä. Niin kauan kuin geneettinen sekvenssi tunnistetaan, sitä voidaan teoriassa muokata.
Yksi asia on poistaa elämään vaikuttavat sairaudet ennen syntymää - aivan toinen asia on, että vanhemmat voivat suunnitella lapsensa vahvemmiksi, nopeammin tai paremmaksi. Vaikka olisitkin sitä mieltä, että ihmisten pitäisi antaa tehdä tämä, on todennäköistä, että tämä kaupallistettaisiin voimakkaasti, varmistaen, että vain rikkailla on varaa kaikkiin niihin lisäetuihin, joita sillä olisi, mikä vaikuttaa massiivisesti eriarvoisuuteen.
CRISPR-Cas9: Mitä on tehty tähän mennessä?
Tietysti nämä eettiset kysymykset ovat miljoonan mailin päässä, kun ainoa kirjattu ihmisalkion kokeilu aiheutti niin korkean profiilin takaiskun. CRISPR-Cas9 näyttää kuitenkin nyt erittäin lupaavia tuloksia pienemmissä testeissä.
Esimerkkejä ovat HIV-infektioiden ehkäisy ihmissoluissa , parantamaan hiiren geneettisiä sairauksia ja apinapari, jolla on syntynyt kohdennettuja mutaatioita .
CRISPR on myös nousemassa tehokkaaksi keinoksi tallentaa tietoja DNA: han. New Yorkin genomikeskuksen tutkijapari julkaisi maaliskuussa 2017 raportin Tiede päiväkirja, jossa kuvataan yksityiskohtaisesti menetelmät pakattujen tiedostojen tallentamiseksi DNA-molekyyleihin. Algoritmin avulla tiedostot käännettiin binäärikoodiksi, joka voidaan yhdistää DNA: n nukleotidipohjoihin, tutkijat pystyivät koodaamaan kaikkiaan kuusi tiedostoa: vuoden 1948 akateemisen paperin, Pioneer-plaketin, käyttöjärjestelmän, virus, vuoden 1895 elokuvaJunan saapuminen La Ciotatin asemalle… Ja 50 dollarin Amazon-lahjakortti.
Muutamaa kuukautta myöhemmin joukko tutkijoita Harvardin lääketieteellisessä koulussa koodasi silmukkaavan videoleikkeen elävän E.Coli-bakteerisolun DNA: han . Tavoitteena on kehittää valmistusjärjestelmämolekyylinauhurit - DNA, joka kykenee tallentamaan omia tietojaan ympäristöstä. Tätä voidaan käyttää kaikessa maaperän pilaantumisen seurannasta neurologisen toiminnan ymmärryksemme mullistamiseen.
Osana DARPA: n Safe Genes -ohjelmaa seitsemään joukkueeseen kuuluu aHarvardin lääketieteellisen koulun tohtori Amit Choudharyn johtama tiimi, joka kehittää tapoja hallita malariaa leviäviä hyttysiä, on toinen Harvardin lääketieteellisen koulun tiimi, joka haluaa käyttää CRISPR: ää säteilyn aiheuttamien mutaatioiden havaitsemiseen ja kääntämiseen. Tohtori John Godwinin johtaman Pohjois-Carolinan osavaltion yliopiston tiimin tavoitteena on kohdistaa rottien geenien ajamisjärjestelmät invasiivisten lajien hallintaan, kun taas Kalifornian yliopisto, Berkeley, haluavat käyttää CRISPR: ää kohdistamaan Zika- ja Ebola-virukset. Täydellinen luettelo projekteista ja tiimitiedot ovat saatavilla DARPA: n verkkosivuilla.
Viime aikoina rakennebiologi Osamu Nureki Tokion yliopistosta jakoi uskomattoman kuvamateriaalin CRISPR: n DNA: n muokkaamisesta reaaliajassa, joka oli osa hänen tiiminsä lehdessä julkaistua lehteä Luontoviestintä . Alla olevassa leikkeessä CRISPR etsii DNA: ta ennen muokkausten tekemistä. Voit nähdä, että DNA-juoste katkeaa.
Materiaali näytettiin alun perin CRISPR 2017 kesäkuussa pidetyssä konferenssissa. Paperi toimitettiin konferenssin jälkeen ja julkaistiin 10. marraskuuta.
CRISPR-Cas9: Tuleeko se Yhdistyneeseen kuningaskuntaan?
Joo. Kantasolututkijat Iso-Britanniassa pyysi lupaa muokata ihmisalkioita yrittäen ymmärtää ihmisen varhaista kehitystä ja vähentää keskenmenon todennäköisyyttä. Helmikuussa 2016Ihmisen lannoitus- ja embryologiavirasto (HFEA) myönsi luvan.
CRISPR-Cas9: Miksi CRISPR on huono?
Kuten aiemmin mainittiin, Cas9 pystyy tunnistamaan vain noin 20 emäksen pituiset geneettiset sekvenssit, mikä tarkoittaa, että pidempiä sekvenssejä ei voida kohdistaa.Vielä merkittävämpää on, että entsyymi leikkaa toisinaan väärässä paikassa. Selvittäminen miksi tämä on sinänsä merkittävä läpimurto - sen korjaaminen on vielä suurempi.
Sitten on tietysti kysymys siitä, että CRISPR ei toiminut hirvittävän hyvin ihmisalkioissa, ja sen uudemmat yhteydet syöpään.
CRISPR-Cas9: Kuka omistaa sen?
Tähän ei ole helppo vastata. Se on jatkuvan patenttitapahtuman kohteena - yllättäen, kun otetaan huomioon, että CRISPR: ää esiintyy luonnollisesti tietyissä bakteereissa.
Teknologiakatsausselittää vaikka CRISPR-Cas9 kuvattiin ensinTiedeVuonna 2012 Jennifer Doudna UC Berkeleystä, Feng Zhang Broad-instituutista voitti patentin tekniikalle lähettämällä laboratorion muistikirjat, jotka osoittavat, että hän on keksinyt sen ensin.
Ensinnäkin patenttioikeuksien ilmoittaminen tarkoittaa, että tämä olisi myönnettävä Doudnalle, mutta päätös olisi voitu päättää ensin keksimään säännöt, jotka olisivat suosineet Zhangia. Lopussa, tapaus ratkaistiin helmikuussa 2017 , kun Yhdysvaltain patentti- ja muutoksenhakulautakunta päätti, että UC Berkeleylle myönnetään patentti CRISPR-Cas9: n käytöstä missä tahansa elävässä solussa, kun taas Broad saisi sen mihin tahansa eukaryoottiseen soluun - eli kasvien ja eläinten soluihin.
Kuvat: Petra B Fritz , VeeDunn , NIH-kuvagalleria ja Steve Jurvetson käytetään kohdassa Creative Commons
