CRISPR-i geenide redigeerimise põhitõed

2013. aastal avaldasid kaks biokeemikut artikli, milles nad kuulutasid, et nad on avastanud potentsiaalselt mängu muutva meetodi geenide manipuleerimiseks. CRISPR – mis kõlab nagu vegelik gastropubi – võitis neile igaüks Nobeli preemia.

Pärast seda on CRISPR (või Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) elanud reklaami vastu. See on muutnud ülemaailmset teadusmaastikku ja tekitanud küsimusi selle kohta, milliseid revolutsioonilisi muutusi teadlased ja tervishoiuteenuse osutajad võiksid ja peaksid taotlema.

Mis siis, kui saaksime muuta toidud allergiavabaks ja põllukultuurid põuakindlaks? Mis siis, kui suudaksime kõrvaldada invasiivsed liigid ja kaitsta nakkushaiguste, nagu malaaria, eest? Mis siis, kui suudaksime väljasurnud liike taaselustada? Mis siis, kui saaksime eemaldada või parandada mutatsioonid, mis põhjustavad pärilikke haigusi? Või luua individuaalse vähi raviks kohandatud immuunteraapiaid?

Väljavaated on nii põnevad.

Kui teie arusaam geneetikast algab ja lõpeb keskkooli bioloogiaga – või (väga väljamõeldud) Jurassic Park filmid – sa pole üksi. See värk on keeruline. Seetõttu palusime genoomika ja immunoteraapia eksperdil Timothy Chanil, MD, PhD, meie jaoks CRISPR-i katkestada, et saaksime paremini mõista, miks see üle kümne aasta hiljem ikka veel teadlasi nii põnevil tekitab.

Mis on geenide redigeerimine?

Enne CRISPR-i juurde hüppamist alustame geenide redigeerimise kontseptsiooniga.

Geeni redigeerimine on geneetilise materjali (DNA) muutmise protsess. See võib tähendada mõne üksiku geeni või terve järjestuse muutmist. Rohkem kui kümme aastat on kestnud uuringud, mis käsitlevad geenide redigeerimise kasutamist mutatsioonide puhul, mis põhjustavad inimestel tõsiseid terviseprobleeme. Selle geenide redigeerimise uuringu eesmärk on kõrvaldada või parandada mutatsioon, mis põhjustab terviseseisundit või millel on potentsiaal tekitada, näiteks teatud vähktõbe. Teistes uuringutes uuritakse geenide redigeerimist, et mutatsioon ei kanduks sündides lastele edasi.

Näiteks USA Toidu- ja Ravimiamet (FDA) kiitis 2022. aasta lõpus heaks geeniteraapia, mis tutvustab B-hemofiiliaga inimestele vere hüübimiseks vajalikku geeni. See on üks paljudest praegu kasutusel olevatest raku- ja geeniteraapiatoodetest.

Geenide redigeerimiseks on palju erinevaid tehnikaid ja rakendusi. CRISPR on üks lähenemisviis geenide redigeerimisele, mis on käimasolevates kliinilistes uuringutes paljulubav.

CRISPR tehnoloogia

Nüüd, kui oleme selged, mis on geenide redigeerimine, keskendume konkreetsele lähenemisviisile: CRISPR.

Clustered Regularly Interspaced Short Palindroom Repeats, muidu tuntud kui CRISPR, “algselt tuvastati bakterites kui bakterite kaitsesüsteemis,” ütleb dr Chan.

See on õige. Ka bakteritel on immuunsüsteem.

CRISPR sisaldab vahetükke – ebasõbralikest viirustest või muudest üksustest järele jäänud DNA järjestusi, aga ka korduvaid geneetilise materjali osi. Need järjestused tagavad omandatud immuunsuse ja moodustavad geenide redigeerimise süsteemi või protsessi ehitusplokid. See loob omamoodi plaani, mis võimaldab geneetilise materjali ensüümidel muuta elusrakkude DNA järjestusi. Üks tuntumaid sel eesmärgil kasutatavaid ensüüme kannab nime Cas9, mistõttu kuulete mõnikord inimesi rääkimas CRISPR-Cas9-st.

“Aastate jooksul on inimesed avastanud, et spetsiifilised ensüümid, mis võimaldavad CRISPR-il töötada – Cas9 on üks neist. Kuid on ka teisi ja neid saab kohandada DNA-s huvipakkuvate sihtjärjestuste järgi, et teha konkreetseid lõikeid,“ selgitab dr Chan.

Kuidas CRISPR-i redigeerimine töötab

Võite arvata, et CRISPR-i geenide redigeerimise aluseks olev mehhanism on sarnane sellele, kuidas magnetkujud üksteise külge tõmmatakse või kuidas Lego klotsid kokku sobivad.

CRISPR-i segmendid transkribeeritakse RNA-ks. See RNA sisaldab juhtjärjestust, mis vastab inimese kehas olevale DNA-le.

“Seda juhendite järjestust saab kohandada vastavalt teie soovile,” ütleb dr Chan. “Selle tulemusel saate suure täpsusega teha konkreetseid muudatusi või mutatsioone genoomi osas, mida sihite.”

Selle juhtjärjestusega sõiduks on kaasas ka ensüüm nagu Cas9.

Kui juhtjärjestus ja ensüüm leiavad redigeerimiseks soovitud DNA, saab ensüüm seejärel tööle asuda. See seob end selle DNA-ga ja teeb muudatusi, olgu see siis läbilõige või muudatus.

Dr Chan ütleb, et CRISPR-tehnoloogia on kaugele jõudnud. “Esimene CRISPR-i põlvkond oli suurepärane viis geenide inaktiveerimiseks. See tegi ainult pausi geenides. Siis täituks DNA looduslike parandusensüümidega.

Kuid CRISPR-i uued versioonid – nagu CRISPR prime või CRISPR HD – on arenenumad.

“Need võivad võimaldada tegelikke asendusi,” jätkab dr Chan. “Saate isegi väga täpselt asendada ühe järjestuse – ühe genoomi tähe – teise tähega. Ja saate teha spetsiifilisi mutatsioone.

CRISPRi võime teha väga spetsiifilisi ja väga väikeseid kärpeid võib muuta seda, kuidas tervishoiuteenuse osutajad saavad teatud geneetilisi haigusi käsitleda.

Dr Chan on CRISPRi tuleviku suhtes optimistlik, tuginedes käimasolevate kliiniliste uuringute edule inimestel. “Mis tahes tüüpi geneetiliste haiguste puhul, mis on põhjustatud ühest muteerunud geenist, saate selle muteerimiseks ja normaalseks muutmiseks kasutada CRISPR-i. Sellepärast on see kasulik. See on viis, kuidas saame genoomis vigu muuta.

“Praegu on CRISPR suunatud ühe geenimuutuse korrigeerimisele, ” lisab ta. “Kuigi kombinatsioonid võivad tulevikus olla võimalikud, pole me veel seal.”

Kas see on FDA poolt heaks kiidetud?

Kuigi geenide redigeerimine on juba kasutusel, on CRISPR endiselt kliiniliste uuringute faasis, ütleb dr Chan. “Seda kasutatakse kogu aeg teaduslaborites ja tööstusharudes,” märgib ta. “Paljud kliinilised uuringud testivad CRISPR-i geneetiliste haiguste ja vähi taustal.”

Huvitav on see, et CRISPR-i saab kasutada teatud haiguste tuvastamiseks. Tuntuim näide on Sherlock CRISPR SARS-CoV-2 komplekt: COVID-19 test, mis sai 2020. aastal FDA-lt erakorralise kasutamise loa (EAU).

“Kuid praegu pole FDA poolt heaks kiidetud CRISPR-ravi. Kliinilised uuringud käivad, ”ütleb ta.

Nende hulka kuuluvad CRISPR-i uuringud selliste geneetiliste haiguste, nagu tsüstiline fibroos, Huntingtoni tõbi ja lihasdüstroofia, korrigeerimiseks.

Dr Chan lisab, et käimas on ka suured verehaiguste kliinilised uuringud, kus CRISPR-i kasutatakse haigusseisundit põhjustava geenimuutuse korrigeerimiseks. Ühe näitena toob ta paljutõotava uuringu, mis käsitleb CRISPR-Cas9 geenide redigeerimist sirprakulise haiguse ja β-talasseemia korral, millest kirjutati 2021. aasta alguses. New England Journal of Medicine. β-talasseemia on pärilik verehaigus, mis mõjutab keha võimet toota hemoglobiini – rauda tihedat valku, mis on punaste vereliblede peamine koostisosa.

Samuti on kliinilised uuringud, et näha, kas CRISPR-i saab kasutada teatud vähivormide raviks. Dr Chan märgib, et kimäärse antigeeni retseptori (CAR) T-rakuteraapia on üks esimesi leukeemiate jaoks heaks kiidetud geeniteraapiaid. Praeguste uuringute käigus uuritakse, kas CRISPR-tehnoloogia võib seda ravi veelgi tõhusamaks muuta.

“CAR T-rakuteraapias eemaldate kelleltki T-rakud ja sisestate retseptori – uus viis, kuidas need rakud vähirakkudele midagi sihtida – ja seejärel paned need rakud patsiendile tagasi,” selgitab ta. “Teadlased viivad praegu läbi katseid, kus nad kasutavad CRISPR-i nende T-rakkude muutmiseks, et muuta need veelgi aktiivsemaks.”

CRISPR-teraapiatel võib olla palju erinevaid vorme. CRISPR on varem otse kehasse sisestatud. Seda süstiti 2020. aastal kuulsalt seitsmele haruldase päriliku pimedushäirega inimese silmadesse, kellest kaks ütlesid hiljem NPR-ile, et nad on taastanud teatud võime värve näha. Praegu on käimas inimkatsed, mille käigus manustatakse CRISPR-i geelide ja kreemide, toidu või joogi, nahasiirikute või süstide kaudu. Levinud on ka ex vivo kohaletoimetamine: just siis kasutatakse CRISPR-i raku modifitseerimiseks väljaspool keha. Seejärel sisestatakse rakud kahjutu viiruse abil uuesti kehasse.

Tulemused on siiani olnud paljulubavad. “Ma usun, et järgmise kolme kuni viie aasta jooksul – võib-olla isegi varem – saame mõne haiguse ravimiseks heakskiidu,” ütleb dr Chan.

Riskid ja eelised

Dr Chan ütleb, et mis tahes tüüpi CRISPR-ravi puhul on oht saada sihtmärgist kõrvalekalduvaid või ootamatuid kõrvalmõjusid.

“Alati, kui muudate midagi nii fundamentaalset nagu DNA, ei tea te lihtsalt, mis võib juhtuda,” selgitab ta. “Alati on võimalus ootamatusteks. Võimalik, et teil võib olla mõju oma DNA-le, mis ei olnud ette nähtud.

Praegu ei ole tal konkreetseid näiteid nende mõjude kohta – ja ta märgib, et olemasolevad uuringud näitavad, et risk on üsna madal. Siiski võivad tulevaste uuringute andmed rääkida teistsugusest loost.

Sellegipoolest näeb dr Chan CRISPR-is lähiaastatel “palju potentsiaali”.

“Põld liigub väga kiiresti,” ütleb ta. “Me näeme kasutatavate CRISPR-i tööriistade pidevat täiustamist.

“See muutub täpsemaks ja paindlikumaks selles osas, mida saate teha. Praegu on CRISPR-i erinevaid konstrueeritud modifitseeritud variante, mis võimaldavad teha väga spetsiifilisi ja väga täpseid muudatusi vähemate sihtmärgiväliste efektidega. Seega arvan, et tulevik on väga helge.