fbpx

CRISPR-Cas9 – genska tehnologija, ki bo (verjetno) spremenila svet

Foto: Pixabay

Čeprav je bila v zadnjih dveh letih velika večina bio – medicinske stroke zaposlena z izzivom imenovanim covid-19, pa se bodo s pojenjanjem epidemije in rahljanjem zaščitnih ukrepov raziskovalci po vsem svetu znova lahko osredotočili tudi na druga področja. In eno od teh področij je genetika, veda v kateri je prišlo v zadnjem desetletju do tektonskih premikov, ki bodo v bližnji prihodnosti najverjetneje revolucionirali zdravljenje bolezni, ki so bile doslej izjemno težko ozdravljive ali pa so celo veljale za neozdravljive.

Področje genskega inženiringa je bilo od vselej sila kontroverzno; po eni strani je za znanstvenike predstavljalo neverjeten potencial za odpravljanje širokega nabora prirojenih zdravstvenih težav, po drugi pa so številni raziskovalci menili, da z osnovnimi gradniki življenja – štirimi nukleotidi, ki sestavljajo verigo DNK (deoksiribonukleinske kisline), in sicer adeninom (A), citozinom (C), gvaninom (G) in timinom (T) – še ne znamo ravnati dovolj precizno, da bi se lahko z gotovostjo izognili napakam ter hudim psihofizičnim težavam, do katerih bi neizbežno prišlo pri testnih subjektih v primeru takšnih ali drugačnih nepredvidljivih zapletov pri manipulacijah z genskim materialom.

To pa se je začelo ob koncu prejšnjega stoletja počasi spreminjati. Ključnega pomena za odkritje sistema CRISPR so bile raziskave japonskih mikrobiologov pod vodstvom Yoshizumija Ishina z Univerze v Osaki leta 1987. Ti so poročali, da so v bakteriji Escherichia coli (E. coli) opazili nenavaden del bakterijske DNK, v katerem je bilo pet ponovitev istega zaporedja 29 nukleotidov, med katere so bili vrinjeni po 32 nukleotidov dolgi odseki DNK, ki so se medsebojno razlikovali. Shematično lahko zaporedje opišemo kot ABACADAEA, kjer predstavlja A ponavljajoči se del, deli B, C, D in E pa medsebojno različne dele. Česa podobnega pri bakterijah pred tem še niso opazili. Domnevali so, da ne gre zgolj za naključje, ampak za mehanizem, katerega funkcije še ne poznajo. Kasneje so iste serije zapisov opazili tudi pri drugih vrstah bakterij in takrat je to nenavadno zaporedje DNK dobilo ime CRISPR (ang. “clustered regularly interspaced short palindromic repeats”), kar je v prevodu okrajšava za “gruče enakomerno prekinjenih kratkih palindromnih ponovitev”.

Poškodovan DNK lahko zamenjajo z drugim
Pojav, ki so ga dokumentirali japonski mikrobiologi je znanstvenikom ostal nepojasnjen vse do leta 2005, ko so tri medsebojno neodvisne skupine raziskovalcev ugotovile, da so variabilni deli v zaporedjih CRISPR v bistvu izseki DNK bakteriofagov oz. virusov. Ugotovili so, da je mehanizem CRISPR v bistvu del adaptiranega obrambnega sistema, ki so ga bakterije skozi milijone let razvile za obrambo pred napadi virusov. Pri obrambnem sistemu CRISPR naj bi bakterijam, ki so napad preživele uspelo shraniti dele DNK virusa, ki jih je napadel, kar naj bi jim omogočalo, da bi ga pravočasno prepoznale, če bi se ponovno pojavil. Šlo naj bi torej za neke vrste “fotografijo”, ki branilcem olajša prepoznavo sovražnika, ko jih le-ta ponovno napade. CRISPR deluje s pomočjo encimov Cas (ang. CRISPR-associated proteins), t. i. “molekularnih škarij”, ki izjemno natančno prerežejo dvojno vijačnico DNK. Gene z zapisom za specifični encim Cas so našli v bakterijskem genomu v bližini zaporedij CRISPR. Pri bakterijah obstajajo sicer različni Cas encimi, ki režejo virusno DNK, med katerimi pa je za rezanje živalske (in seveda tudi človeške) DNK najbolj primeren encim endonukleaze Cas9, ki so ga našli pri bakterijah vrste Streptococcus pyogenes; od tod tudi ime najpogosteje uporabljene variante sistema – CRISPR-Cas9.

Crispr Cas9 High Res Stock Images | Shutterstock

Študije tega sistema so v naslednjih letih hitro napredovale, leta 2012 pa se je biokemičarki Jennifer Doudna porodila ideja, da bi lahko to metodo bakterijske imunske obrambe proti virusom uporabili kot univerzalno orodje za urejanje genetskega zapisa v katerikoli živi celici, z drugimi besedami, za genski inženiring. S sodelavci je ugotovila, da je sistem CRISPR-Cas9 mogoče prilagoditi tako, da je uporaben kot nekakšne molekularne škarje, s katerimi lahko izvajamo zelo natančno definirane operacije v genomih živih celic. Doudna je predlagala, da bi namesto tega, da encimi Cas9 iščejo in napadajo viruse, zapis RNK (ribonukleinsko kislino) prilagodili na način, da bi encimi v celici, ki ni nujno bakterijska, poiskali in uničili okvarjeni del gena, ki povzroča bolezen. Za zamenjavo okvarjenega dela gena je treba nato na izrezano mesto vgraditi še nov delujoč del, kar pa niti ni tako težavno. To delo opravijo encimi, ki ves čas skrbijo za popravilo poškodovane DNK. Sistem so že uspešno preizkusili na miših s hemofilijo. Januarja 2013 so pokazali, da lahko s to metodo v človeških celicah izrežejo del DNK in ga zamenjajo z drugim. Leta 2020 je Doudna dobila Nobelovo nagrado za kemijo za razvoj programiranega urejanja genomov človeških zarodkov s sistemom CRISPR, kar je dejansko predstavljalo tehniko, ki je omogočala, da se umetno ustvarjene genske spremembe dedujejo.

Gensko tehnologijo že večkrat uporabili
Sistem CRISPR-Cas9 je bil dolgo časa v večini razvitega sveta smatran za še premalo raziskanega, da bi ga lahko začeli uporabljali na ljudeh oz. na človeških zarodkih. Takšnih zadržkov pa je iz leta v leto manj, pri čemer tej obliki genske tehnologije očitno najbolj zaupajo raziskovalci na celinski Kitajski, kjer so zaradi ohlapne znanstveno-raziskovalne regulacije omenjeni mehanizem v preteklih letih že večkrat preizkusili tudi na človeku. Za prvo uradno priznano uporabo tega sistema velja poskus kitajskih znanstvenikov, ki so ga izvedli v začetku aprila leta 2015, ko so z mehanizmom CRISPR-Cas9 na človeških zarodkih, ki niso bili sposobni preživetja poskušali popraviti gen odgovoren za pojav beta talasemije (tj. redke dedne krvne bolezni), v letih, ki so sledila pa so opravili še več podobnih poskusov na zarodkih, ki so jih nato splavili. Čeprav so bili že takšni poskusi izjemno kontroverzni (zaradi etične spornosti rezultatov raziskave iz leta 2015 niso hoteli objaviti pri revijah Nature in Science, ki veljata za najprestižnejši reviji na področju naravoslovnih znanosti), pa je več neodvisnih medijskih poročil razkrilo, da so kitajski znanstveniki od leta 2015 izvedli že najmanj 86 genskih terapij s tem mehanizmom, pri čemer so poskušali pri pacientih zdraviti okužbo z virusom HIV in različne vrste raka.

Foto: epa

Za daleč najbolj odmevnega pa velja poskus raziskovalca He Jiankuija, ki je v začetku leta 2018 na univerzi SUStech v Shenzenu pri in vitro oploditvi neplodne ženske s tehnologijo CRISPR-Cas9 spremenil genom zarodkov enojajčnih dvojčic, pri čemer je iz njega odstranil gen CCR5, s čimer je pri njima želel ustvariti prirojeno imunost na virus HIV (oče dvojčic je bil namreč HIV-pozitiven). Ker sta se dvojčici Lulu in Nana oktobra 2018 tudi dejansko rodili, velja Jiankuijev eksperiment za prvi (do danes pa tudi edini) primer stvaritve gensko spremenjenih otrok v zgodovini. Čeprav ni znan noben drug primer genskega inženiringa človeških zarodkov, ki bi se nato tudi rodili z uporabo sistema CRISPR-Cas9, pa so to osupljivo gensko tehnologijo že večkrat uporabili na že rojenih pacientih. Največ takšnih poskusov je bilo izvedenih v ZDA, kjer je ameriška Agencija za hrano in zdravila (FDA) v preteklih letih odobrila že več kliničnih poskusov s to tehnologijo za zdravljenje različnih bolezni, kot npr. srpastocelične anemije, Leberjeve optične atrofije in celo za prirojenega virusa HIV. Čeprav so se vsi ti klinični testi izkazali za uspešne, pa bo najverjetneje potrebnih še nekaj let, da bo ta perspektivna tehnologija odobrena kot standardno bolnišnično zdravljenje, do rojstev otrok s spremenjenim genomom pa bo sploh minilo še kar nekaj časa. Potrebno se je namreč zavedati, da četudi je CRISPR najbolj natančna metoda za genski inženiring, jo znanstveniki še vedno ne razumejo v celoti, posledično pa se bojijo, da bi nepremišljeno manipuliranje z geni lahko vodilo do hudih zapletov in neozdravljivih psiho-fizičnih težav pacientov.

Matej Markič