Edycja genów zmieni świat szybciej, niż nam się wydaje. Edytor genomu CRISPR: technologia, która zmieni medycynę
Rok 2017 po raz kolejny pokazał ogromny potencjał edycji genetycznej w medycynie. Może to na przykład zmienić transplantację. Podwyższone kwalifikacje chirurgów i nowe technologie umożliwiają przeprowadzanie fantastycznych operacji, ale na wszystkie te cuda wciąż jest małe zapotrzebowanie ze względu na niezwykle małą liczbę dawców narządów. I tak w Wielkiej Brytanii co roku przeszczepu serca wymaga 15 000 pacjentów, ale tylko 150 może go otrzymać. Rozwiązaniem może być wykorzystanie narządów, których narządy są wykorzystywane, w taki sposób, aby nie powodować negatywnych konsekwencji dla biorcy. Równie palący problem – rozprzestrzenianie się bakterii opornych na antybiotyki – można również rozwiązać za pomocą CRISPR. Kilka zespołów badaczy pracuje nad zniszczeniem takich „superbakterii” za pomocą .
Dzięki edycji genów opracowano pierwsze całkowite lekarstwo na HIV
Powszechne stają się doniesienia o zastosowaniu CRISPR do leczenia określonej choroby. Naukowcom udało się więc go wyleczyć, ale jak dotąd tylko u myszy. Sceptycy często mają wątpliwości co do wyników uzyskanych u gryzoni, ale nawet dla nich są ekscytujące wieści – na przykład o przeszczepie chłopca cierpiącego na rzadką chorobę. metr kwadratowy. Z powierzchni 3 m2 wyhodowano nową skórę, zastępującą 80% starej, chorej skóry. cm, które były narażone na działanie zmodyfikowanego wirusa. Być może w tym roku zobaczymy firmy, które wprowadzą terapię genową i zaczną za jej pomocą leczyć anemię sierpowatokrwinkową, talasemię i inne. I oczywiście CRISPR będzie w dalszym ciągu wykorzystywany do walki z rakiem – na przykład poprzez modyfikowanie ludzi, tak aby byli skuteczniejsi w znajdowaniu i niszczeniu nowotworów złośliwych.
Za pomocą edycji genów naukowcom w końcu udało się osiągnąć to, co do niedawna uważano za science fiction – bezpośrednio zmienili genom. Metodę tę zastosowano w leczeniu choroby Huntera, rzadkiej choroby genetycznej związanej z brakiem ważnego enzymu w wątrobie. Do organizmu 44-letniego mężczyzny wprowadzono miliardy kopii genów korekcyjnych oraz narzędzia niezbędne do ich wdrożenia; V w tym przypadku nie był to CRISPR, ale metoda palca cynkowego. Naukowcy zaryzykowali, ale pacjent, który przeszedł 26 operacji, nie miał wyboru. Jeśli się powiedzie, naukowcy przeprowadzą podobną terapię u pacjentów chorych na hemofilię i fenyloketonurię. Również w zeszłym roku po raz pierwszy zmodyfikowano genetycznie żywy embrion ludzki za pomocą CRISPR, najpierw w , a następnie w . W obu przypadkach zarodkowi oszczędzono kilku mutacji odpowiedzialnych za choroby dziedziczne, jednak ze względów etycznych nie pozwolono mu się rozwijać. Jednak rzeczywistość amerykańskiej pracy to przeciwnicy naukowi.
CRISPR jako broń
Edycja genów również może stać się prawdziwą bronią. Na szczęście nie ma jeszcze mowy o użyciu go przeciwko ludziom - mamy na myśli szkodniki zwierzęce, na przykład komary. Same owady te są w przeważającej mierze nieszkodliwe, ale mogą przenosić różne choroby - od żółtej febry po malarię. Choroby te powodują miliardowe szkody w gospodarce światowej i zabijają setki tysięcy ludzi rocznie. Eksperci proponują edycję genomu komarów, aby nie mogły już przenosić patogenów. Inną opcją jest ich całkowita eksterminacja lub znaczne ograniczenie populacji poprzez wypuszczenie bezpłodnych samców. Podejście to podziela DARPA, która zainwestowała w „bojowe” badania CRISPR. Ekolodzy z niepokojem obserwują takie inicjatywy: zniszczenie całego gatunku może zniszczyć ekosystemy, a obecność technologii, która może eksterminować populacje w rękach rządu lub biznesu, stanowi poważne zagrożenie dla środowiska.
Bill Gates: „Terapia genowa raka wyeliminuje choroby zakaźne”
Ze znacznie większą sympatią eksperci patrzą w stronę Nowej Zelandii, gdzie planują za pomocą CRISPR. Dawno, dawno temu w tym kraju nie było żadnych ssaków poza płetwonogimi i nietoperzami, ale człowiek sprowadził tu szczury, koty, gronostaje i oposy. Ssaki szybko zamieniły się w szkodniki, niszcząc miejscową faunę – przede wszystkim ptaki, które przez miliony lat żyły w świecie pozbawionym drapieżników. Wiele gatunków już wymarło, a aby zachować pozostałą różnorodność biologiczną, rząd Nowej Zelandii jest gotowy podjąć zdecydowane kroki. Zgodnie z planem do 2050 r. na wyspach nie powinno być żadnych wprowadzanych zwierząt. Tradycyjnie do ich zwalczania używano trucizn i pułapek, ale stworzenie systemu genetycznego, który niezależnie rozprzestrzenia się w populacji i ogranicza sukces reprodukcyjny, jest znacznie skuteczniejsze i bezpieczniejsze dla gatunków rodzimych. Naukowcy z Nowej Zelandii badają obecnie, czy wojna genetyczna przyniesie więcej szkody niż pożytku.
Firma Monsanto od dawna stała się w oczach opinii publicznej synonimem „złej korporacji” z hollywoodzkich filmów i przeraża wielu nie mniej niż hipotetyczną „bronią genetyczną”. Cele, jakie głosi, wydają się jednak dobre: na przykład gigant biotechnologiczny planuje wykorzystać CRISPR do uprawy bardziej produktywnych i odpornych na ekstremalne warunkiśrodowisko. Być może ta technologia pomoże ocieplającej się Ziemi. Rolnictwo przyszłości będzie także wykorzystywać modyfikację genetyczną zwierząt – np. w Chinach już taką stworzyli, zastępując część ich genów genami myszy.
Rywale i następcy CRISPR
Mimo wszystkich swoich zalet CRISPR jest technologią niedoskonałą. Podczas cięcia DNA i wprowadzania pożądanego genu do genomu możliwe są błędy: na przykład możesz przypadkowo dotknąć sąsiedniego genu lub spowodować mutację. Ten zaproponowany przez ekspertów z Instytutu Medycznego Howarda Hughesa nie ma tych wad. Zamiast wstawiać i wycinać całe fragmenty DNA, zastępują w nim poszczególne nukleotydy, przepisując „litery” piszące genom. CRISPR często porównywany jest do nożyczek i w tym przypadku nową technologię można nazwać „ołówkiem”. Idealnie nadaje się do korygowania pojedynczych szkodliwych mutacji.
Inna alternatywa, eukariotyczna edycja genów multipleksowych (eMAGE), również umożliwi wprowadzenie nowych genów. A badacze ze startupu twierdzą, że nauczyli się zastępować uszkodzone fragmenty genomu edytowanymi, wykorzystując naturalne mechanizmy podziału komórek. Według nich udało im się opanować ten proces za pomocą specjalnych wirusów. To prawda, że należy poczekać na ścisłą naukową weryfikację podanych wyników. W wielu przypadkach zamiast modyfikacji genetycznych skuteczniejsze jest zastosowanie tzw. W tym przypadku łańcuch RNA, enzym i aktywator transkrypcji zlokalizowane są przy pożądanym genie i uruchamiają jego pracę. Genu nie trzeba wycinać ani wklejać – wystarczy przywrócić jego funkcję.
Pierwszy lek do terapii genowej trafił na rynek amerykański
Technologie
Być może najmądrzejszą rzeczą, jaką można zrobić, to nie porzucać CRISPR, ale go ulepszyć. Na przykład wirus dostarczający RNA i enzym do jądra komórkowego może zostać zaatakowany przez układ odpornościowy, co zmniejszy skuteczność metody. Aby tego uniknąć, możesz użyć . Technologia została przetestowana przez pracowników MIT na myszach i wykazała doskonałą skuteczność: w 80% komórek dokonano edycji niezbędnych genów. Technologię można również modyfikować do innych celów. Przykładowo pozbawić to narzędzie możliwości wycinania kawałków DNA, pozostawiając jedynie możliwość przyczepiania się właściwy punkt genom. W tym przypadku CRISPR byłby idealnym znacznikiem wskazującym lokalizację mutacji, którą można następnie obejrzeć za pomocą mikroskopu sił atomowych. Pozwoli to np. zidentyfikować te, do których prowadzą różne choroby. Metoda będzie skuteczniejsza niż tradycyjne sekwencjonowanie i hybrydyzacja fluorescencyjna.
Lęki i wątpliwości
Jak każda nowa technologia, edycja genów powoduje brak zaufania w społeczeństwie. Wielu z nas wciąż boi się spożywania żywności GMO, dlatego nie powinny dziwić protesty przeciwko ingerencji w kod genetyczny człowieka czy populacje dzikich zwierząt. Choć wiele obaw można łatwo przypisać analfabetyzmowi biologicznemu, etycy mają poważniejsze zastrzeżenia. A co, jeśli nauczywszy się edytować genom zarodków w celu zwalczania chorób genetycznych, zaczniemy produkować „designerskie” dzieci o z góry określonym kolorze oczu i poziomie inteligencji? Eksperci z zakresu genetyki uważają te obawy za uzasadnione, jednak… Po pierwsze, genom nie determinuje w 100% tego, kim jesteśmy – równie ważną rolę odgrywa wychowanie i środowisko, w którym się rozwijamy. Po drugie, dwie inne technologie, których wprowadzenie uznano za pierwszy krok w stronę dystopii w duchu Gattaca, na przestrzeni dziesięcioleci pokazały swoje bezpieczeństwo. To jest o o zapłodnieniu in vitro i amniopunkcji (analiza płynu owodniowego i tkanki łożyska). Najprawdopodobniej to samo stanie się z CRISPR, chociaż rządowa kontrola jego stosowania nie zaszkodzi.
I to już jest realizowane: na przykład sprzedaż zestawów do edycji genetycznej w domu (które najwyraźniej również są całkowicie bezużyteczne). Kto chce pobawić się w inżyniera genetycznego, powinien to robić pod okiem specjalisty, np. na kursach organizowanych przez nowojorski startup. Za 100 dolarów miesięcznie każdy może mieć dostęp do laboratorium i wszystkiego niezbędny sprzęt. A za 400 dolarów można wziąć udział w intensywnym czterodniowym kursie technologii CRISPR na przykładzie drożdży. Chociaż większość uczestników przychodzi do laboratorium dla zabawy, zabierają ze sobą wiedzę na temat edycji genów i standardy etyczne podczas pracy z nim.
Infografiki na konkurs „bio/mol/tekst”: CRISPR/Cas to system odporności nabytej u bakterii i archeonów, przydatny także u eukariontów. Próbowaliśmy wyjaśnić ten mechanizm, który spowodował eksplozję w społeczności biologicznej i prawdopodobnie znacznie zmienił przyszłość nauki i ludzkości. Z tej infografiki dowiesz się krótka historia badania, mechanizm i możliwe zastosowania systemu CRISPR/Cas.
„Bio/mol/tekst” – 2016
Praca ta zdobyła nagrodę publiczności w konkursie „bio/mol/text” w 2016 roku.
W konkursie brały udział wyłącznie infografiki!
Tekst napisała Olga Volkova.
Sponsorem generalnym konkursu, jak wynika z naszego crowdfundingu, był przedsiębiorca Konstanty Sinyuszyn, za co darzą go wielkim ludzkim szacunkiem!
Sponsorem nagrody publiczności była firma Atlas.
Sponsorem publikacji tego artykułu jest Dmitrij Giennadiewicz Kałasznikow.
Jak działa układ odpornościowy prokariotów?
Systemy CRISPR-Cas występują u prawie wszystkich znanych archeonów i połowy bakterii. Częściej są zlokalizowane na chromosomie, rzadziej - jako część fagów (wirusów bakteryjnych) i innych ruchomych elementów genetycznych. Systemy te składają się z dwóch głównych bloków: Kasety CRISPR i obok niego klaster genów przypadek . Kaseta to blok bezpośredni, prawie palindromiczny („lustro”, sekwencje komplementarne, które mogą składać się w spinki do włosów) powtórzenia Rozmiar 24–48 par nukleotydów. Powtórzenia te są przeplatane przekładki- unikalne wkładki o mniej więcej tej samej długości. Przerywniki są identyczne z różnymi regionami fagów i innych ruchomych elementów, które kiedykolwiek weszły do tej komórki lub jej przodków. Liczba powtórzeń w różne systemy ah waha się od jednostek do setek.
Zatem CRISPR można traktować jako zbiór wielokrotnie oddzielonych „fotografii” najeźdźców granic komórkowych. Kolekcję tę kompiluje się po prostu pożyczając ich dzieła, a aby przeciwstawić się nowej inwazji tych samych czynników molekularnych, kolekcję należy regularnie „przeglądać” i aktualizować. Ta funkcja wymaga sekwencja liderów, poprzedzający serię powtórzeń. Jest bogaty w niskotopliwe pary AT i zawiera promotor kontrolujący transkrypcję kasety CRISPR („przeglądanie kolekcji”).
Geny przypadek kodują białka, których głównym zadaniem jest wstawianie przerywników i środków niszczących o identycznych sekwencjach ( protoprzerywniki) i pomóż w przetworzeniu transkrypcji CRISPR: podziel fotogirlandę na osobne portrety. Funkcję niszczenia pełnią białka Cas tzw efektor. W zależności od rodzaju efektorów wszystkie systemy CRISPR dzielą się na dwie klasy: I klasa cel jest niszczony przez kompleks wielobiałkowy i II- jedno duże białko. Klasy te są dalej podzielone na sześć typów. Większość efektorów atakuje DNA, tylko jeden atakuje wyłącznie RNA, a rzadkie atakują obie cząsteczki. Jeden organizm może zawierać kilka różnych układów, a odstępniki różnią się w różnych komórkach, nawet w tej samej populacji.
Do czego to prowadzi, można dowiedzieć się z konkursowego artykułu o bakteriofagach i odwiecznym wyścigu zbrojeń w świecie fagów i bakterii: „ Zjadacze bakterii: zabójcy jako zbawiciele„. Nawiasem mówiąc, istnieje wiele interesujących, chronionych prawem autorskim elektronicznych obrazów fagów.
Dla rozwiązań problemy inżynieryjne Najbardziej odpowiedni jest system typu II, który należy do klasy II – jest najprostszy. To właśnie jego białko efektorowe nosi nazwę Cas9 – to samo oznaczenie pojawia się we współczesnych systemach edycji genomu.
Jak powstaje odporność za pośrednictwem CRISPR?
Jeśli wirus przedostanie się do bakterii lub archeonów wyposażonych w system CRISPR, włącza się moduł funkcji adaptacyjnych układy: specyficzne białka Cas - we wszystkich układach są to co najmniej Cas1 i Cas2 - wycinamy z obcego fragmenty, które im się podobają. W niektórych przypadkach białko efektorowe pomaga również w wyborze protoprzerywnika. Białka wybierają obszary w pobliżu określonej sekwencji PAM (motyw sąsiadujący z protoprzerywnikiem) - tylko kilka nukleotydów, ale różne dla różnych systemów CRISPR. Następnie te same białka adaptacyjne wstawiają fragment do kasety CRISPR, zawsze z jednej strony – przy sekwencji liderowej. W ten sposób powstaje nowy odstępnik i zarazem nowe powtórzenie. Cały ten proces nazywa się dostosowanie, czyli przejęcie, ale w istocie jest to pamiętanie o wrogu. Informacje o wszystkich zapamiętanych wrogach otrzymują podczas podziału wszyscy potomkowie komórki.
W jaki sposób wdrażana jest odporność za pośrednictwem CRISPR?
Aby wyszukiwać agentów ponownie atakujących, kaseta CRISPR musi wyrazić. W wyniku jego transkrypcji powstaje długa cząsteczka RNA - pre-cRNA. Za pomocą RNazy III i z reguły białek Cas transkrypt jest cięty na pojedyncze powtórzenia crRNA- cząsteczki zawierające jeden odstępnik i otaczające go fragmenty powtórzeń (jeden z nich jest dłuższy). W układach typu II proces ten, tzw dojrzewanie, potrzebny jest jeszcze jeden uczestnik - tracRNA (transaktywujący RNA CRISPR), który jest zakodowany obok przypadek-grupa.
Następnie w układach klasy I crRNA oddziałuje z kompleksem białek Cas, a w układach klasy II dupleksy crRNA lub tracrRNA-crRNA wiążą się z jednym białkiem efektorowym, np. Cas9. W ten sposób powstaje moduł funkcji zakłócającej- działająca jednostka odpornościowa składająca się z kierującego RNA i białka efektorowego (lub kompleksu). Zestaw takich jednostek „skanuje” komórkę w poszukiwaniu najeźdźców.
Po wykryciu komplementarnej sekwencji crRNA, czyli protoprzerywnika, moduł „przykleja się” do niej i sprawdza, czy jest on oznaczony jako „własny”, komórkowy. Jeśli nie i jeśli sąsiaduje z nim ten sam PAM, to białko efektorowe, jakim jest endonukleaza, przecina obie nici DNA w ściśle określonych miejscach. Cały proces nazywa się ingerencja. W szczególnym przypadku, w układzie typu VI, tak jest Interferencja RNA, ponieważ białkiem efektorowym jest rybonukleaza i niszczy RNA. Tak czy inaczej zaatakowane fagi lub plazmidy zostają unieszkodliwione. Cóż, stwarza to dodatkową okazję do „kradzieży” nowych przekładek.
Jakie problemy mogą pojawić się podczas realizacji odpowiedzi immunologicznej? Możliwe jest, że wraz z odległością od sekwencji liderowej, to znaczy od promotora CRISPR, szanse na transkrypcję i dojrzałość przerywnika maleją. Ponadto istnieje opinia, że z czasem w odległych odstępnikach mogą kumulować się mutacje, które uniemożliwiają skuteczną ingerencję w cel lub są całkowicie usuwane. Ponieważ jednak adaptacja nowych przerywników następuje w pobliżu promotora, odległymi przerywnikami są zdjęcia agentów, które dawno nie atakowały tej linii komórkowej, a komórka nie potrzebuje wobec nich ciągłej gotowości bojowej. Nawet mutacje pojedynczego nukleotydu w obiekcie docelowym mogą stać się prawdziwym problemem. Ogólnie rzecz biorąc, komplementarność jest w tej kwestii najważniejsza.
Czy nie powinniśmy okiełznać odporności innej osoby?
Po szczegółowym przestudiowaniu zasad działania paciorkowcowego systemu CRISPR-Cas9 (typ II) naukowcy pomyśleli: dlaczego nie spróbować za jego pomocą skorygować genomów innych organizmów? Nowe nadzieje pojawiły się w związku z leczeniem genetycznych (i innych) chorób człowieka, ze względu na tę metodę redakcyjną na żywo mogła okazać się skuteczniejsza niż nukleazy ZFN i TALEN, które były już wówczas szeroko testowane.
Wszystko co potrzebne Nowa technologia, polega na umieszczeniu genu białka Cas9 i kasety CRISPR na wektorach, gdzie przerywniki są identyczne z miejscami w genomie, które wymagają zmiany. Zmieniając liczbę i rodzaj przerywników, można modyfikować kilka różnych regionów genomu jednocześnie. Szybko zdali sobie sprawę, że tracrRNA i crRNA można bezboleśnie połączyć w jedną chimeryczną cząsteczkę sgRNA (jednokierunkowy RNA), a RNazę III w komórkach eukariotycznych można łatwo zastąpić innymi rybonukleazami. Cóż, konieczna była także optymalizacja systemu dla komórek eukariotycznych: skorygowanie składu kodonów i dodanie „adresu” jądrowego, tak aby wyraźnie odpowiadał miejscu pracy - chromosomom.
W rezultacie powstał prosty i, co ważne, tani dwuskładnikowy system: gen ca9 i kaseta CRISPR ulegają transkrypcji w jądrze komórkowym wybranego organizmu, transkrypt CRISPR jest cięty na pojedyncze sgRNA, które łączą się z białkami Cas9 i szukają celu. Kiedy sgRNA znajdzie komplementarne miejsce w genomie organizmu, Cas9 przecina na tępo obie nici DNA. To wszystko, praca nad systemem CRISPR dobiegła końca. Teraz pałeczka przekazywana jest systemom naprawczym samego organizmu. Decydują, jak najlepiej załatać rozcięcie: czy po prostu zszyć elementy (będzie to niehomologiczne połączenie końców, NHEJ) lub jeśli istnieje odpowiedni szablon z bokami komplementarnymi do odcinków DNA po obu stronach pęknięcia, nałóż „łatkę” (będzie to rekombinacja homologiczna). Zatem pierwsza opcja jest korzystna, jeśli trzeba coś wyciąć, druga - jeśli trzeba coś wstawić lub zastąpić wadliwy odcinek DNA normalnym, który po prostu wprowadza się na odpowiedni wektor. Czasami stosuje się homologię ze sparowanym chromosomem, jeśli pożądane locus na nim nie jest wadliwe.
Oczywiście technologia ta nie jest pozbawiona wad. Na przykład Cas9 może wykazywać aktywność poza celem, przymykając oko na drobne niedopasowania między sgRNA a celem. Według K. Severinowa głównym problemem jest bioinformatyczne przewidywanie celów, ponieważ oprócz obecności regionu PAM konieczne jest uwzględnienie wielu czynników, w tym stanu chromatyny. Ponadto scenariusz naprawy rozcięcia nie zawsze odpowiada pożądanemu, dlatego obecnie aktywnie poszukuje się czynników wpływających na wybór tego scenariusza przez komórkę. Oprócz optymalizacji CRISPR-Cas9 i mechanizmów jego dostarczania do pożądanych komórek, testowane są inne typy systemów CRISPR.
Zakres zastosowań CRISPR-Cas9 i jego modyfikacji
Miejsca zastosowań technologii CRISPR można warunkowo pogrupować w trzy duże grupy: „CRISPR do badań”, „CRISPR do biotechnologii” i „CRISPR do terapii”.
1. „CRISPR – do badań”. Technologia umożliwia badanie roli określonych genów w procesach rozwoju i życia organizmów. Alternatywą jest ustalenie roli genów i ich rearanżacji w występowaniu i postępie chorób genetycznych oraz nowotworów: to narzędzie pozwala na tworzenie pięknych systemy modelowe.
Jeśli Cas9 zostanie pozbawiony jednej domeny nukleazy, białko staje się nickazą ( nCas9) - przecina tylko jedną nić DNA, - a jeśli zostaną pozbawione dwóch na raz, wówczas białko staje się inaktywowane, czyli „martwe” ( martwy, dCas9). Takie białko niczego nie tnie, ale system CRISPR-dCas9 można wykorzystać do represji całych zestawów genów lub jako platformę do konstruowania bardziej złożonych kompleksów regulacyjnych i modyfikujących. Na przykład, jeśli dołączona jest do niej domena aktywująca, aktywowana jest ekspresja docelowych genów. Do modyfikacji epigenetycznych wymagane strefy wystarczy dodać domenę modyfikującą. Znakując dCas9 białkami fluorescencyjnymi, można zwizualizować różne regiony chromosomów. Oczywiste jest, że możliwości regulacyjne systemu będą również potrzebne w medycynie. Ponadto różne warianty CRISPR-Cas otwierają nowe możliwości w zakresie badań przesiewowych docelowych leków.
2. „CRISPR – dla biotechnologii”. Tutaj mówimy o zastosowaniu CRISPR-Cas9 do co najmniej trzech celów:
3. „CRISPR – do terapii”. Wydaje się, że wyobraźnia nie ma tu granic. Jeśli mówimy o chorobach dziedzicznych, CRISPR-Cas9 został już „wypróbowany” w hodowlach komórkowych lub modelach zwierzęcych w leczeniu anemii sierpowatokrwinkowej i β-talasemii, zespołu M2DS i dystrofii mięśniowej Duchenne’a, mukowiscydozy (skorygowany zmutowany locus CFTR w pniu jelita ludzkiego komórek) i tyrozynemia, zaćma (u myszy wyeliminowano dominującą mutację w genie Crygc) i barwnikowe zwyrodnienie siatkówki. Ogólnie rzecz biorąc, choroby oczu znajdują się obecnie w centrum uwagi, ponieważ konstrukty genetyczne można łatwo dostarczyć do oczu.
Zalety korekcji genomu w linii zarodkowej (jako zbiorze dowolnych komórek generatywnych, które łączą ze sobą pokolenia organizmów) i komórkach macierzystych są oczywiste, ale nawet zmiany dokonane w komórkach somatycznych już rozwiniętych narządów przynoszą skutek. Zwłaszcza jeśli chodzi o walkę z chorobami wątroby i mięśni. O wynikach terapeutycznego zastosowania CRISPR-Cas9 w różne rodzaje Cells opowiada świeżą recenzję.
Oddzielnym obiecującym obszarem jest walka z przewlekłymi chorobami wirusowymi, takimi jak zapalenie wątroby i zakażenie wirusem HIV. Jeżeli patogen utrzymuje się w organizmie w postaci prowirusa (wirusowego DNA osadzonego w genomie komórkowym), to można go po prostu wyciąć. Dokładnie to zrobił zespół biologów z USA, usuwając ludzkie limfocyty z wirusa HIV (odnotowały to jednocześnie dwa artykuły „biomolekularne”: „ Bitwa stulecia: CRISPR VS HIV" I " CRISPR/Cas9 jako asystent w walce z HIV„). To prawda, że HIV jest obiektem niezwykle zmiennym i wciąż musimy z nim łamać włócznie.
Można marzyć, że warianty opisywanego niedawno systemu CRISPR typu VI, czyli niszczącego wyłącznie RNA, znajdą zastosowanie w terapii nowotworów i – jak się okazuje – każdy komórkowego RNA bez rozróżnienia: uruchomienie takiego systemu w komórce nowotworowej jest jak rzucenie na nią klątwy.
CRISPR-Cas to coś więcej niż tylko odporność
Okazuje się, że ten system oznacza znacznie więcej dla bakterii i ich ewolucji.
Niekanoniczne działania systemów CRISPR lub ich poszczególnych komponentów powstały jako produkty uboczne ich funkcji immunologicznych lub jako niezależnie wybrane cechy. Najprawdopodobniej kasety CRISPR i białka Cas działały kiedyś oddzielnie, a ich pierwotnym zadaniem była regulacja ekspresji genów i naprawy DNA. Dostrzeżono nowoczesne komponenty CRISPR-Cas:
Infografika powstała wspólnie z Pavelem Chirkovem, magisterium z Wydziału Nauk Politycznych Uniwersytetu w Petersburgu Uniwersytet stanowy. Można go pobrać w jednym pliku.
Literatura
- JA Doudna, E. Charpentier. (2014). Nowa granica inżynierii genomu dzięki CRISPR-Cas9. Nauka. 346 , 1258096-1258096;
- Ruud. Jansen, styczeń DA van Embden, Wim. Gaastra, Lew. M. Szkoły. (2002).
Ten tekst jest jednym z nich. Technologia CRISPR-Cas9 cieszy się dużym zainteresowaniem zarówno naukowców, jak i osób zainteresowanych biotechnologią. Wiele osób w to wierzy nowa metoda Precyzyjna edycja genów umożliwi w przyszłości stworzenie idealnej osoby. Lenta.ru opowiada o tym, czym jest system CRISPR i czy należy spodziewać się po nim cudów.
Na początku lutego 2016 roku okazało się, że rząd Wielkiej Brytanii zezwolił naukowcom na zmianę DNA ludzkich embrionów do celów badawczych z wykorzystaniem systemu CRISPR. Nie mówimy o tworzeniu człowieka GMO, gdyż wszystkie zmodyfikowane zarodki uzyskane w drodze zapłodnienia in vitro zostaną zniszczone po 14 dniach. Jednak opinia publiczna była bardzo zaniepokojona. Na przykład dyrektor wywiadu narodowego USA James Clapper powiedział, że technologie edycji genomu są potencjalną bronią masowego rażenia. Jego pesymistyczna prognoza znalazła odzwierciedlenie w nowym sezonie serialu „ Tajne materiały”, gdzie system CRISPR został wykorzystany do ogólnoświatowego ludobójstwa. Czym jest technologia CRISPR, dlaczego budzi tyle emocji wśród naukowców, lęków wśród społeczeństwa i co tak naprawdę może dać ludzkości?
Zdjęcie: Steve Dixon/Feng Zhang/MIT
Ochrona antywirusowa
CRISPR to układ odpornościowy bakterii i archeonów, który chroni mikroorganizmy przed wirusami. Po raz pierwszy została odkryta przez japońskich naukowców pod koniec lat 80. XX wieku w bakterii Escherichia coli (Escherichia coli). Zauważyli, że genom bakterii zawiera powtarzające się sekwencje oddzielone przerywnikami – unikalnymi regionami. Jednak jaką rolę to wszystko odgrywa, nie mogli się wtedy dowiedzieć. Podobną strukturę kasety genetycznej odkryto później u innego mikroorganizmu – archeonów Haloferax mediterranei, a następnie u wielu innych prokariotów. Takie regiony zaczęto nazywać akronimem CRISPR, czyli Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Powtórzenia. W języku rosyjskim - „krótkie powtórzenia palindromiczne, regularnie ułożone w grupy”.
Ponad dziesięć lat później genetycy odkryli, że obok kaset CRISPR znajdują się geny kodujące białka zwane Cas. Znane przerywniki porównano z sekwencjami DNA z obszernych genomowych baz danych. Okazało się, że przerywniki są bardzo podobne do odcinków genomów wirusów bakteriofagów, a także plazmidów – kolistych cząsteczek DNA powszechnie występujących u bakterii.
Grupa bioinformatyków pod przewodnictwem Jewgienija Kunina z Narodowego Centrum Informacji Biotechnologicznej zaproponowała mechanizm działania kaset CRISPR i związanych z nimi białek Cas. Wirus, który dostał się do komórki bakteryjnej, jest wykrywany przez kompleks białek Cas niosących ze sobą sekwencję rozdzielającą. Jeśli ten ostatni pasuje do odcinka DNA wirusa (protospacer), wówczas białka Cas przecinają obcy DNA, zapobiegając infekcji. Później naukowcom udało się wprowadzić przerywnik z fragmentem genomu bakteriofaga do bakteryjnej kasety CRISPR i zaobserwowali, jak mikroorganizm skutecznie radzi sobie z wirusem. Stanowiło to jeden z dowodów na postawioną hipotezę.
Przerywniki w kasetach CRISPR stanowią matrycę do produkcji crRNA, który jest wysyłany razem z białkami Cas w celu zaatakowania wirusa. Skąd się biorą dystanse? Kiedy bakteria napotyka nieznanego wirusa, zaczyna wycinać różne fragmenty DNA z genomu własnego i cudzego i umieszczać je w kasecie. Oczywiście większość tych kawałków okazuje się bezużyteczna, a nawet szkodliwa, ale ten, który pomaga organizmowi zwalczyć infekcję, pozostaje w CRISPR i jest przekazywany potomkom bakterii.
Zdjęcie: Roczny przegląd genetyki
Penetracja najświętszego ze świętych
Okazało się, że istnieje kilka odmian systemu CRISPR-Cas. Jeden z nich koduje nie kompleks białek Cas, ale tylko jeden - Cas9. Jest to uniwersalna cząsteczka, która spełnia kilka funkcji jednocześnie: wiąże obce DNA i przecina je. To właśnie w układzie z białkiem Cas9 naukowcy dostrzegli dokładne narzędzie do edycji genomu. W artykule opublikowanym w czasopiśmie Science w 2012 roku Emmanuelle Charpentier i Jennifer Doudna zaproponowały sztuczne sekwencje w postaci crRNA, które rozpoznają określone odcinki DNA. Następnie Cas9 dokonałby cięć tam, gdzie naukowcy ich potrzebują. Inny Grupa poszukiwawcza Mniej więcej w tym samym czasie wykazała, że system CRISPR-Cas9 może współpracować z genomami nie tylko bakterii, ale także komórek innych organizmów, w tym człowieka.
A przed systemem CRISPR znane były metody edycji genomu. Na przykład za pomocą nukleaz zawierających palce cynkowe. Są to sztuczne enzymy, które nie występują w przyrodzie i są zdolne do rozszczepienia łańcucha DNA. Palec cynkowy to specjalny moduł białkowy zawierający jeden lub więcej jonów cynku. Za pomocą takich struktur enzymy oddziałują z DNA, RNA i innymi cząsteczkami. Naukowcy połączyli palec cynkowy z innym modułem przecinającym nić DNA. Takie nukleazy można kierować do określonych regionów genomu, gdzie wykonują cięcia. Problem polega na tym, że w każdym miejscu, w którym należy wprowadzić przerwę, należy zsyntetyzować, wyizolować i przetestować określone białko. Ponadto zastosowanie nukleaz wiąże się z dużym prawdopodobieństwem błędów: przerwy często występowały w niewłaściwych miejscach.
System CRISPR-Cas jest znacznie wygodniejszy. Funkcję cięcia przejmuje białko Cas9, które jest takie samo dla wszystkich loci docelowych. Wszystko, co należy zrobić, to zsyntetyzować crRNA, które wskaże białku dokładnie, gdzie wprowadzić przerwę dwuniciową. Po dokonaniu pęknięcia aktywowane są systemy naprawy DNA. Po pierwsze, jest to mechanizm łączenia końców niehomologicznych (NHEJ), w wyniku którego powstają różne mutacje zakłócające funkcje genów. Jeśli dokonasz wielu takich przerw, możesz osiągnąć rearanżację dużej części DNA.
Po drugie, rekombinacja homologiczna (HR), gdy podobne lub identyczne odcinki DNA wymieniają między sobą sekwencje nukleotydowe. Mechanizm ten służy do naprawy uszkodzeń podwójnej nici zwanych przerwami dwuniciowymi.
Jeśli chodzi o kontrolowaną edycję DNA, naukowcy czują się bardziej komfortowo, stosując rekombinację homologiczną. Stosując system CRISPR-Cas, można wprowadzić przerwy w celu usunięcia całego fragmentu DNA. W tym przypadku genetycy wrzucają utworzoną przez siebie sekwencję, którą wstawiają w miejsce usuniętej. W ten sposób możliwa jest „naprawa” mutacji powodujących ciężkie choroby. Naukowcy usuwają wadliwą część genu i zastępują ją normalną. Co więcej, możliwe jest wprowadzanie nowych mutacji, tworzenie różnych wariantów tego samego genu i dodawanie do niego określonych sekwencji, co wpływa na funkcje kodowanego przez niego białka.
Można skorygować wiele wadliwych genów na raz. Aby to zrobić, wystarczy zsyntetyzować odpowiednie crRNA, których sekwencje pokrywają się właściwe obszary DNA. Białka Cas9 wiążą się z crRNA i pędzą, aby „naprawić” geny. Należy wyjaśnić, że mówiąc o zbiegu okoliczności, mamy na myśli korespondencję uzupełniającą. Zasada komplementarności wskazuje, w którym przypadku zostaną utworzone wiązania pomiędzy różnymi łańcuchami DNA lub RNA. Nukleotyd A wiąże się z nukleotydem T, a nukleotyd C wiąże się z G. Dlatego na przykład fragment ACTG pokrywa się z TGAC.
Obraz: Natura
Broń przeciwko chorobom
Kiedy stało się jasne, że system CRISPR można wykorzystać do edycji ludzkiego genomu, wiele laboratoriów na całym świecie rozpoczęło aktywne badania. Na przykład wykorzystują technologię do tworzenia organizmów zmodyfikowanych genetycznie. Jednym z kierunków jest stworzenie bakterii kwasu mlekowego, które mogłyby oprzeć się atakowi bakteriofagów niszczących kultury pożytecznych mikroorganizmów. Ale być może jednym z najciekawszych zastosowań CRISPR jest walka z infekcjami retrowirusowymi.
Retrowirusy – takie jak HIV – wstawiają swój genom bezpośrednio do DNA zakażonej komórki. Artykuł opublikowany w czasopiśmie Scientific Reports pokazuje, w jaki sposób CRISPR-Cas9 można wykorzystać do oczyszczania limfocytów T zakażonych wirusem HIV, a nawet zapobiegania ponownemu osadzaniu się wirusa. Genetycy po prostu wprowadzili geny kodujące crRNA i Cas9 do hodowli komórek T, co z kolei skutecznie wycięło wirusowe DNA z genomu limfocytów.
Chińscy naukowcy przeprowadzali eksperymenty na ludzkich embrionach jeszcze zanim w Wielkiej Brytanii zezwolono na takie badania. W kwietniu 2016 r. genetycy poinformowali, że zmienili geny zarodków, aby uczynić je odpornymi na wirus HIV. Wykorzystując CRISPR, wprowadzili gen występujący u osób odpornych na infekcje.
System CRISPR przydał się także w walce z nowotworem. Przykładowo, praca opublikowana w Nature Biotechnology pokazuje, że stosując zmodyfikowane białko Cas9, można wyłączyć pewne geny i tym samym określić ich rolę w degeneracji komórek normalnych w komórki złośliwe. Jeżeli okaże się, że mutacja w danym genie przyczynia się do rozwoju nowotworu, kolejnym krokiem będzie korekta wady poprzez manipulację genetyczną.
CRISPR może pomóc w leczeniu raka krwi – białaczki. Zamiast szukać dawcy szpiku kostnego, możesz pobrać próbki tkanek z własnego narządu krwiotwórczego pacjenta, skorygować wadliwe komórki macierzyste, pozbyć się śmiertelnej mutacji, a następnie przeszczepić je z powrotem. Jeśli złośliwe komórki pozostałe w chorym organizmie zostaną zniszczone przez promieniowanie, skorygowane komórki będą mogły się namnażać i wytwarzać zdrowe krwinki.
Puszka Pandory
Czy system CRISPR jest niebezpieczny? Na obecnym poziomie rozwoju nie. Obawy wynikają w dużej mierze z faktu, że jest jeszcze za wcześnie na edycję ludzkiego genomu na potrzeby leczenia chorób dziedzicznych. Technologia jest wciąż surowa. Tym samym prace chińskich naukowców zostały skrytykowane za dużą liczbę pęknięć DNA, które wystąpiły w niewłaściwym miejscu. Ponadto tylko kilka z pięćdziesięciu zarodków miało prawidłową zamianę sekcji genu.
Jeśli technologia edycji genomu uratuje ludzkość przed chorobami dziedzicznymi, nowotworami, wirusami, to jest to kwestia przyszłości, być może znacznie dalszej, niż myślą optymiści. Jeśli chodzi o tworzenie ulepszonych ludzi i związane z tym kwestie etyczne, generalnie wykracza to poza możliwości systemu CRISPR.
Dzięki CRISPR właśnie teraz dokonuje się ogromny przełom Inżynieria genetyczna: naukowcy planują wkrótce dowiedzieć się, jak raz na zawsze pozbyć się wszelkich chorób, z perspektywą kontrolowanych mutacji i życia wiecznego.
Do opublikowania tego wpisu skłonił nas film „CRISPR: edycja genów zmieni wszystko na zawsze”, który opowiada o najnowocześniejszych osiągnięciach nauki w zakresie modyfikacji genetycznych człowieka: nie chodzi tylko o pozbycie się chorób takich jak AIDS, nowotwory i wielu innych, ale także o stworzeniu doskonałego nowego gatunku ludzi, ludzi posiadających supermoce i nieśmiertelność. A to dzieje się właśnie teraz, na naszych oczach.
Wszystkie te perspektywy otwierają się dzięki niedawnemu, rewolucyjnemu odkryciu białka CRISPR – Cas9, ale przede wszystkim.
Wcześniej uważano, że DNA w każdej naszej komórce jest absolutnie identyczne i zawiera naszą dokładną i niezmienną kopię – niezależnie od tego, jaką komórkę weźmiemy, ale okazało się, że tak nie jest: DNA w różnych komórkach jest nieco inne i zmieniają się w zależności od różnych okoliczności.
W odkryciu białka CRISPR-Cas9 pomogły obserwacje bakterii, które przeżyły atak wirusa.
Najstarsza wojna na ziemi
Bakterie i wirusy konkurują ze sobą od początku życia: wirusy bakteriofagowe żerują na bakteriach. W oceanie zabijają 40%. Łączna bakterie każdego dnia. Wirus robi to poprzez wstawienie swojego kodu genetycznego do bakterii i wykorzystanie jej jako fabryki.
Bakterie bezskutecznie próbują stawiać opór, jednak w większości przypadków ich mechanizmy obronne są zbyt słabe. Ale czasami bakterie przeżywają. Następnie będą mogli aktywować swój najskuteczniejszy system antywirusowy. Przechowują część DNA wirusa w swoim kodzie genetycznym, archiwum DNA „CRISPR”.Tutaj jest przechowywany do momentu użycia.
Kiedy wirus atakuje ponownie, bakteria tworzy kopię RNA z archiwum DNA i
ładuje tajną broń - białko Cas9. Białko to skanuje bakterię pod kątem interferencji wirusów, porównując każdy znaleziony fragment DNA z archiwum. Po znalezieniu 100% dopasowania zostaje on aktywowany i odcina DNA wirusa, czyniąc je bezużytecznym, chroniąc w ten sposób bakterię.
Białko Cas9 skanuje DNA komórki pod kątem przedostania się wirusa i zastępuje uszkodzoną część zdrowym fragmentem.
Co ciekawe, Cas9 jest bardzo precyzyjny, niczym chirurg DNA. Rewolucja nadeszła, gdy naukowcy zdali sobie sprawę, że system CRISPR można programować — wystarczy przekazać kopię DNA, który wymaga zmiany, i umieścić system w żywej komórce.
Oprócz tego, że jest precyzyjny, tani i łatwy w użyciu, CRISPR umożliwia włączanie i wyłączanie genów w żywych komórkach oraz badanie określonych sekwencji DNA.
Metoda ta działa również na dowolne komórki, mikroorganizmy, rośliny, zwierzęta czy ludzi.
Naukowcy odkryli, że Cas9 można zaprogramować tak, aby dokonywał dowolnych podstawień w dowolnej części DNA – i to niemal otwiera drogę nieograniczone możliwości dla ludzkości.
Czy to koniec chorób?
W 2015 roku naukowcy wykorzystali CRISPR do usunięcia wirusa HIV z komórek pacjentów.
i udowodnił, że jest to możliwe. Rok później przeprowadzili bardziej ambitny eksperyment na szczurach z wirusem HIV w prawie wszystkich komórkach.
Naukowcy po prostu wstrzyknęli im CRISPR w ogony i byli w stanie usunąć ponad 50% wirusa z komórek w całym organizmie. Być może za kilka dekad CRISPR pomoże pozbyć się wirusa HIV i innych retrowirusów – wirusów ukrytych w ludzkim DNA, takich jak opryszczka. Być może CRISPR może pokonać naszego najgorszego wroga, raka.
Rak jest wynikiem komórek, które nie umierają i nadal się dzielą, ukrywając się przed układem odpornościowym. CRISPR daje nam możliwość edycji naszych komórek odpornościowych i uczynienia ich lepszymi łowcami raka.
Być może pewnego dnia leczenie raka będzie polegać tylko na kilku zastrzykach z kilku tysięcy twoich własnych komórek stworzonych w laboratorium, które wyleczą cię na zawsze.
Być może za jakiś czas kwestia leczenia nowotworu będzie już kwestią kilku zastrzyków zmodyfikowanych komórek.
Pierwsze badanie kliniczne takiej terapii na ludziach zostało zatwierdzone na początku 2016 roku w Stanach Zjednoczonych. Niecały miesiąc później chińscy naukowcy ogłosili, że w sierpniu 2016 r. pacjentów z rakiem płuc będą leczyć komórkami odpornościowymi zmodyfikowanymi przy użyciu tej samej technologii. Sprawa szybko nabiera tempa.
Są też choroby genetyczne, tysiące. Różnią się one od lekko irytujących po wyjątkowo śmiertelne lub powodujące lata cierpienia. Dzięki potężnym narzędziom, takim jak CRISPR, być może pewnego dnia będziemy w stanie sobie z tym poradzić.
Ponad 3000 chorób genetycznych jest spowodowanych pojedynczą zmianą w DNA.
Już tworzymy zmodyfikowaną wersję Cas9, która koryguje takie błędy i oczyszcza komórkę z choroby. Być może za kilka dekad będziemy w stanie raz na zawsze wyeliminować tysiące chorób. Wszystkie te zastosowania medyczne mają jednak jedną wadę – są ograniczone do jednego pacjenta i umrą wraz z nim, jeśli nie zastosujemy ich na komórkach rozrodczych lub we wczesnych stadiach rozwoju płodu.
CRISPR będzie prawdopodobnie stosowany znacznie szerzej. Na przykład, aby stworzyć zmodyfikowanego człowieka, zmodyfikowane dziecko. Przyniesie to płynne, ale nieodwracalne zmiany w ludzkiej puli genowej.
Zaprojektowane dzieci
Istnieją już sposoby zmiany DNA ludzkiego płodu.
ale technologia jest na wczesnym etapie rozwoju. Jednak był już użyty dwa razy. W latach 2015 i 2016 eksperymenty chińskich naukowców na ludzkich embrionach zakończyły się częściowym sukcesem przy drugiej próbie.
Ujawniły ogromne trudności w edycji genów zarodków, ale wielu naukowców już pracuje nad rozwiązaniem tych problemów. To tak samo jak z komputerami w latach 70.: w przyszłości będą lepsze.
Bez względu na Twoje poglądy na temat inżynierii genetycznej, będzie to miało wpływ na wszystkich. Zmodyfikowani ludzie mogą zmienić genom całego naszego gatunku, ponieważ wszczepione przez nich cechy zostaną przekazane ich dzieciom i będą powoli rozprzestrzeniać się przez pokolenia, powoli zmieniając pulę genową ludzkości. Zacznie się stopniowo.
Pierwsze zaprojektowane dzieci nie będą się zbytnio od nas różnić. Najprawdopodobniej ich geny zostaną zmienione, aby pozbyć się śmiertelnych chorób dziedzicznych.
Wraz z rozwojem technologii wszystko więcej ludzi zaczną myśleć, że niestosowanie modyfikacji genetycznych jest nieetyczne, ponieważ skazuje na śmierć dzieci
do cierpienia i śmierci, którym można zapobiec.
Gdy tylko urodzi się pierwsze takie dziecko, otworzą się drzwi, których nie da się już zamknąć. Na początku niektóre cechy nie zostaną dotknięte, ale w miarę wzrostu akceptacji technologii i naszej wiedzy o kodzie genetycznym, pokusa będzie rosła.
Jeśli uodpornisz swoje potomstwo na chorobę Alzheimera, dlaczego nie dodatkowo nie zapewnić im poprawy metabolizmu? Dlaczego nie nagrodzić ich doskonałą wizją? A wzrost i mięśnie? Bujne włosy? A co powiesz na prezent wyjątkowej inteligencji dla swojego dziecka?
Ogromne zmiany nastąpią w wyniku kumulacji osobistych decyzji milionów ludzi.
To równia pochyła, a zmodyfikowani ludzie mogą stać się nową normą. W miarę jak inżynieria genetyczna staje się coraz bardziej powszechna, a nasza wiedza wzrasta, możemy być bliżej wytępienia główny powódśmiertelność - starzenie się.
2/3 z około 150 000 osób, które obecnie umierają, zmarło z przyczyn związanych ze starzeniem się.
Obecnie uważa się, że starzenie się jest spowodowane nagromadzeniem uszkodzeń w naszych komórkach
jak pęknięcia DNA lub pogorszenie się systemów odpowiedzialnych za naprawę tych uszkodzeń.
Ale są też geny, które bezpośrednio wpływają na nasze starzenie się.
Inżynieria genetyczna i inne terapie mogą zatrzymać lub spowolnić starzenie się. Być może uda się to nawet odwrócić.
Typowa reakcja na możliwość życia wiecznego (jak każda inna technologia, znana teraz, ale rewolucyjna kilkaset lat temu).
Życie wieczne i „X-Men”
Wiemy, że w przyrodzie są zwierzęta, które się nie starzeją. Może moglibyśmy pożyczyć od nich kilka genów. Niektórzy naukowcy uważają, że pewnego dnia proces starzenia zostanie wyeliminowany. Nadal umrzemy, ale nie w szpitalu w wieku 90 lat, ale po kilku tysiącach lat spędzonych w otoczeniu bliskich.
Wyzwanie jest ogromne, a cel może być nieosiągalny, ale można sobie wyobrazić, że żyjący dzisiaj ludzie mogą jako pierwsi zasmakować korzyści płynących z terapii przeciwstarzeniowej. Może to po prostu kwestia przekonania inteligentnego miliardera, aby pomógł rozwiązać ten poważny problem.
Jeśli spojrzymy na to szerzej, wiele problemów moglibyśmy rozwiązać przy pomocy np. specjalnie zmodyfikowanych ludzi, którzy mogliby lepiej radzić sobie z wysokokaloryczną żywnością i pozbyć się takich dolegliwości cywilizacyjnych jak otyłość.
Posiadanie zmodyfikowanego układu odpornościowego z listą potencjalnych zagrożeń,
moglibyśmy uodpornić się na większość nękających nas obecnie chorób. Jeszcze później moglibyśmy stworzyć ludzi do długotrwałych podróży kosmicznych i przystosowywania się do różnych warunków na innych planetach, co byłoby niezwykle przydatne do utrzymania naszego życia we wrogim wszechświecie.
Kilka szczypt soli
Istnieje kilka głównych przeszkód, technologicznych i etycznych. Wielu odczuje strach przed światem, w którym będziemy eliminować niedoskonałych ludzi i wybierać potomstwo na podstawie tego, co uważa się za zdrowe.
Ale my już żyjemy w takim świecie. W wielu krajach wykonywanie badań w kierunku dziesiątek chorób genetycznych lub powikłań stało się normą dla kobiet w ciąży. Często jedno podejrzenie wady genetycznej może prowadzić do przerwania ciąży.
Weźmy na przykład zespół Downa, jedną z najczęstszych wad genetycznych: w Europie około 90% ciąż, w których stwierdzono obecność tego zaburzenia, zostaje przerwanych.
Selekcja genetyczna w działaniu: Zespół Downa jest rozpoznawany już na wczesnym etapie rozwoju zarodka i 90% ciąż z tą diagnozą zostaje przerwanych.
Decyzja o przerwaniu ciąży jest decyzją bardzo osobistą, jednak należy pamiętać, że już dziś dobieramy osoby na podstawie stanu zdrowia. Nie ma co udawać, że to się zmieni, dlatego musimy działać ostrożnie i etycznie, pomimo rosnącej swobody wyboru dzięki dalszemu rozwojowi technologii.
Wszystko to jednak są perspektywy na odległą przyszłość. Pomimo mocy CRISPR, metoda ta nie jest pozbawiona wad. Mogą się zdarzyć błędy redakcyjne, a nieznane błędy mogą wystąpić w dowolnej części DNA i pozostać niewykryte.
Zmiana genu może osiągnąć pożądany rezultat i wyleczyć chorobę, ale jednocześnie wywołać niepożądane zmiany. Po prostu nie wiemy wystarczająco dużo o złożonych związkach naszych genów, aby uniknąć nieprzewidywalnych konsekwencji.
Prace nad precyzją i metodami obserwacji są ważne w nadchodzących badaniach klinicznych. I chociaż omawialiśmy możliwą lepszą przyszłość, warto wspomnieć także o mroczniejszej wizji. Wyobraź sobie, jaki jest kraj Korea Północna co zrobić z tym poziomem technologii?
Ważne jest, aby technologia modyfikacji genetycznych nie wpadła w ręce reżimów totalitarnych, które hipotetycznie mogłyby ją wykorzystać do wyrządzenia szkody ludzkości – na przykład stworzenia armii genetycznie zmodyfikowanych żołnierzy.
Czy może przedłużyć swoje panowanie na zawsze dzięki wymuszonej inżynierii?Co powstrzyma reżim totalitarny przed stworzeniem armii zmodyfikowanych superżołnierzy?
Przecież jest to teoretycznie możliwe. Takie scenariusze leżą w odległej przyszłości, jeśli w ogóle są możliwe, ale istnieje już dowód słuszności koncepcji takiej inżynierii. Technologia naprawdę jest potężna.
Mógłby to być powód do zakazania inżynierii i badań pokrewnych, ale z pewnością byłby to błąd. Zakazanie inżynierii genetycznej człowieka doprowadzi naukę jedynie do obszarów, w których obowiązują zasady i prawa, z którymi nie czulibyśmy się komfortowo. Tylko uczestnicząc w tym procesie, możemy mieć pewność, że badania są prowadzone z należytą starannością, inteligencją, kontrolą i przejrzystością.
Możemy badać i wprowadzać do człowieka wszelkie modyfikacje genetyczne.
Wniosek
Czuję się niespokojny? Prawie każdy z nas ma jakąś niedoskonałość. Czy pozwolono by nam istnieć w tak nowym świecie? Technologia jest nieco przerażająca, ale mamy coś do zyskania, a inżynieria genetyczna może być kolejnym krokiem w ewolucji inteligentnych gatunków życia.
Być może położymy kres chorobom, wydłużymy oczekiwaną długość życia o stulecia i polecimy do gwiazd. Rozmawiając na taki temat, nie powinieneś myśleć o małych rzeczach. Niezależnie od Twojej opinii na temat inżynierii genetycznej, przyszłość nadchodzi bez względu na wszystko.
Co było kiedyś fantastyka naukowa, wkrótce stanie się naszą nową rzeczywistością.
Rzeczywistość pełna możliwości i przeszkód.
Możesz także obejrzeć sam film:
Gdybyś miał możliwość zniszczenia raka, zrobiłbyś to? Uwolnić świat od zakażenia wirusem HIV lub wyeliminować gatunki komarów przenoszących wirusa Zika? Może tego dokonać CRISPR, nowa technika edycji genów, która pozwala naukowcom wycinać niechciane fragmenty DNA z chirurgiczną precyzją. I to właśnie ta technologia może radykalnie zmienić nasz znany świat w najbliższej przyszłości.
Dzisiaj porozmawiamy o CRISPR. Ta technologia edycji genów może nie tylko znacząco rozwinąć dziedzinę medycyny, ale także uchronić nas od znanych problemów z zaopatrzeniem w żywność. Możliwości i potencjał CRISPR wydają się nieograniczone, dlatego postanowiliśmy połączyć najciekawsze z nich w jednym materiale.
Co to jest CRISPR
CRISPR(znany również jako „CRISPR-Cas9”) – unikalny instrument do edycji genomu. Umożliwia genetykom i badaczom medycyny edytowanie części genomu poprzez usuwanie, dodawanie lub zmianę kolejnych odcinków DNA. Co więcej, CRISPR jest szybszy, tańszy i dokładniejszy niż wszystkie poprzednie znane metody edycji DNA i ma szeroki zakres potencjalnych zastosowań.W tej chwili technologia CRISPR jest najprostszą, najbardziej wszechstronną i dokładną metodą manipulacji genetycznej. Świat nauki jest zszokowany samym potencjałem CRISPR i nie jest to wcale przesadzone.
Jak to działa?
System CRISPR-Cas9 składa się z dwóch kluczowych cząsteczek, które wprowadzają zmianę (mutację) do DNA. Ten:
- Enzym zwany „Cas9”. Ta cząsteczka CRISPR działa jak para „molekularnych nożyczek”. Cas9 może przecinać nici DNA w określonym miejscu genomu, dzięki czemu można następnie dodawać lub usuwać fragmenty DNA.
- Część RNA zwana „gRNA” (RNA przewodnie). gRNA składa się z małego fragmentu wcześniej zaprojektowanej sekwencji RNA (o długości około 20 zasad) zlokalizowanego w dłuższym odcinku DNA. Region ten wiąże się z DNA i RNA, aby „skierować” Cas9 na prawą stronę genomu.
Wzmocnienie kultury jedzenia
Metody technologii CRISPR pozwalają naukowcom na zawsze zapomnieć o produktach GMO i słabych uprawach spożywczych, które są podatne na błędy i różne choroby. Korzystając z CRISPR, możesz przenieść branżę spożywczą na wyższy poziom nowy poziom- zwiększyć produkcję przy jednoczesnym usuwaniu z produktów trifosforanów (stabilizatora żywności uznanego za szkodliwy dla zdrowia człowieka). W tym przypadku nie ma również potrzeby stosowania szkodliwych pestycydów - leków do zwalczania szkodników roślin.
Ministerstwo Rolnictwo Stany Zjednoczone zareagowały negatywnie na produkty edytowane w CRISPR. Tymczasem mieszkańcy stanęli w obronie swoich upraw i wypowiadali się przeciwko żywności modyfikowanej genetycznie. Jednakże produkty CRISPR nie są GMO. Dzięki tej technologii można usunąć potencjalnie niebezpieczne geny i sprawić, że produkty będą zdrowe, wysokiej jakości i trwałe.
Zniszczenie raka
Edycja ludzkich genów przy użyciu CRISPR jest nadal bardzo kontrowersyjna. Technologia ta może jednak ulepszyć immunoterapię nowotworów, a nawet wyciąć geny wywołujące komórki nowotworowe, zanim spowodują śmiertelne uszkodzenia w organizmie człowieka.
W 2016 r. Narodowy Instytut Zdrowia rozpoczął badanie mające na celu wyeliminowanie trzech z nich różne rodzaje raka u ludzi dzięki technologii edycji genów CRISPR. Projekt uzyskał wsparcie internetowego miliardera Seana Parkera, a kierowali nim doświadczeni naukowcy z Uniwersytetu Pensylwanii.
Wyniki badania nie będą znane wkrótce, ponieważ projekt wciąż oczekuje na zatwierdzenie przez FDA. produkty żywieniowe i leki).
Pozbycie się komarów wirusem Zika
Naukowcy zdali sobie już sprawę z możliwości wytępienia komarów Aedes Aegypti (żółtej febry), które mogą przenosić wirusa Zika. Technologia CRISPR może zniszczyć cały gatunek w ciągu jednego pokolenia.
Chociaż CRISPR mógłby już teraz wyeliminować szkodliwe komary, pomysł jest kontrowersyjny. Istnieje jeden, ale bardzo istotny argument przeciwko stosowaniu edycji genomu komarów – spowodowanie nieprzewidzianej katastrofy ekologicznej. Ludzkość nie rozumie jeszcze w pełni roli, jaką komary odgrywają w środowisku, dlatego nie można po prostu wyeliminować ich jako gatunku. W przeciwnym razie konsekwencje są nieuniknione, a najgorsze jest to, że nikt nie wie, co się stanie.
Drugi możliwy scenariusz jest taki, że użycie CRISPR może doprowadzić do błędu i niechcący stworzyć nowy, ulepszony gatunek superkomara. Na przykład będą całkowicie odporni na nowoczesne technologie. Albo wadliwe DNA mogłoby w jakiś sposób przenieść się na inne owady i ponownie spowodować katastrofę ekologiczną.
Leki na wszystkie choroby
Potencjał technologii CRISPR może doprowadzić do powstania ulepszonych leków posiadających zdolność modyfikowania komórek w organizmie. Przybliżone przedstawienie możliwości takich leków to leczenie prawie wszystkich chorób, prostych i złożonych, rzadkich i dziedzicznych.
W zeszłym roku Bayer zawarł umowę z CRISPR Therapeutics, start-upem utworzonym przez zespół innowatorów, który odkrył technologię Cas9 Emmanuelle Charpentiere do tworzenia leków z wykorzystaniem tej technologii. Wkrótce pojawiły się kolejne firmy farmaceutyczne, otwierając drzwi do tworzenia wysoce skutecznych leków.
W rezultacie CRISPR może zrewolucjonizować przemysł farmaceutyczny.
Uzdrowienie niewidomych
Późną jesienią ubiegłego roku naukowcy opublikowali pierwsze badanie wykorzystujące technologię CRISPR w leczeniu ślepoty. Na szczurach zastosowano narzędzie do edycji genów, aby zastąpić złą genetykę powodującą ślepotę działającym zestawem zdrowych genów.
Badanie przeprowadzone w Instytucie Salk w Kalifornii doprowadziło do częściowego przywrócenia wzroku.
Również w innym badaniu, które na początku 2016 roku przeprowadziły uniwersytety w Kolumbii i Iowa, naukowcom udało się wykazać, że przy użyciu technologii CRISPR można skutecznie leczyć osobę z wrodzoną genetyczną wadą wzroku.
Zatem poprzez edycję genomu można przywrócić wzrok danej osoby. W rzeczywistości brzmi to jak cud, ale jest więcej niż możliwe.
Eliminacja zakażenia wirusem HIV
Obecnie osoby zakażone wirusem HIV ze skutkiem śmiertelnym są leczone toksycznym koktajlem leków antyretrowirusowych. Tłumią wirusa, zapobiegając w ten sposób jego replikacji i przekształceniu się w pełnoobjawowy AIDS. CRISPR może, co udowodniło niedawne badanie, o którym pisaliśmy na Trashbox.
Badanie na myszach wykazało, że CRISPR można zaprogramować tak, aby zabijał każdego żywiciela z niewiarygodną precyzją. Mówimy także o możliwym usunięciu pierwotnego DNA wirusa HIV-1 z organizmu. Ostatecznie wycięcie całego DNA wirusa może powstrzymać jego rozprzestrzenianie się.
Kolejnym krokiem w badaniach będzie powtórzenie procesu na naczelnych, a następnie próby na ludziach. Ludzie przyszłości będą mogli żyć bez obawy, że nabawią się niedoborów odporności.
Usuwanie chorób genetycznych przed urodzeniem
W zeszłym tygodniu naukowcy z Oregon Health and Science University opublikowali artykuł przedstawiający sposób skutecznego wykorzystania CRISPR do wyeliminowania genetycznie dziedzicznej mutacji serca w ludzkich embrionach. Mówiąc najprościej, nienarodzone dziecko może urodzić się bez chorób dziedzicznych.
Zarodkom pozwolono rosnąć przez kilka dni, ale technologia dała pozytywne wyniki. Po raz pierwszy naukowcy zastosowali CRISPR na ludzkich embrionach. Jednocześnie naukowcom po raz pierwszy udało się wykazać, że technologia edycji genomu może pozwolić na wytworzenie zdrowych zarodków.
Wyobraź sobie świat, w którym ludzie rodzą się bez chorób. CRISPR jest kluczem do tej przyszłości.