Det lyder måske som et kornmærke, men CRISPR er en af de mest betydningsfulde revolutioner inden for genetik i vores levetid. I de seneste måneder er der opstået historier om forskere, der bruger CRISPR-Cas-proteiner til effektivt at redigere de genetiske sekvenser af DNA, dræbe HIV, spise Zika som Pac-man og gemme en GIF i bakteriernes DNA .
På trods af CRISPRs potentiale er det alligevel en utrolig kontroversiel procedure. Det kræver, at DNA-tråde skæres og ændres fuldstændigt for at ændre en persons genetiske sammensætning, og to nye undersøgelser har knyttet en sådan genredigeringsteknologi til en stigning i kræft.
Aviserne, en efter Novartis og den anden af Karolinska Institut , offentliggjort iNaturmedicin, konkluderer, at genterapi-teknikker kan svække en persons evne til at bekæmpe tumorer og kunne give anledning til kræft, hvilket giver anledning til bekymring for sikkerheden ved CRISPR-baserede genterapier.
Lad os dog tage lidt sikkerhedskopi.
Se relaterede Hvad er stamceller, og hvordan kan de ændre medicin? Menneskelig hovedtransplantation: Kontroversiel procedure med succes gennemført på lig; live procedure nært forestående
De to papirer fokuserede på genet p53. Tidligere undersøgelser har vist, at visse humane tumorer ikke kan udvikle sig, hvis p53-genet fungerer som det skal. Som et resultat fungerer p53 som en naturlig forsvarsmekanisme for at beskytte genomet mod den slags ændringer foretaget af CRISPR-Cas9. Når CRISPR-Cas9 bruges til at redigere en persons genetiske sammensætning, springer p53-genet til forsvar og dræber effektivt de redigerede celler ved at få dem til at selvdestruere. Faktisk er det dette gen, der har forsinket udviklingen og effektiviteten af CRISPR-teknikken i en række forsøg.
I tilfælde, hvor CRISPR-Cas9 med succes har foretaget redigeringer af en persons genom, antyder det, at den bestemte cels p53-gen er defekt eller dysfunktionelt. Dette kan igen være forbundet med, at kroppen er mindre i stand til at bekæmpe kræft. Især kan en defekt p53 forårsageceller vokser ukontrollabelt og bliver kræft, og er blevet knyttet til forekomster afkræft i æggestokkene, tyktarmen og endetarmen.
Ved at plukke celler, der med succes har repareret det beskadigede gen, som vi havde til hensigt at rette, kan vi utilsigtet også plukke celler uden funktionel p53, studieforfatter Emma Haapaniemi fra Karolinska Institute forklaret . Hvis de transplanteres til en patient, som ved genterapi for arvelige sygdomme, kan sådanne celler give anledning til kræft, hvilket giver anledning til bekymring for sikkerheden ved CRISPR-baserede genterapier.
Det skal dog bemærkes, at det at have en forbindelse til kræft ikke er det samme som at forårsage kræft, og resultaterne i disse to undersøgelser er det, der er kendt som foreløbig, hvilket betyder, at der er behov for yderligere arbejde for enten at styrke eller afvise resultaterne. Forskerne er endda hurtige til at distancere sig fra at sige CRISPR er farligt. I stedet rejser de gyldige problemer og råder virksomheder og forskere, der stormer fremad med kliniske forsøg, om at være opmærksomme på linket.
Undersøgelserne fokuserer også på en meget bestemt type CRISPR-redigeringsteknik - Cas-9-proteinet, der bruges til at korrigere sygt DNA ved at indsætte sundt, redigeret DNA - og der er behov for yderligere arbejde for at se, om andre former for genredigering skaber lignende bekymringer. Faktisk i et forsøg på at tackle lignende tidligere kritik rapporterede forskere fra Salk Institute for nylig en løsning. I stedet for at redigere gener, kunne deres såkaldte epigenetiske (eller over genet) CRISPR-metoden se gener tændt eller slukket i stedet for at blive skåret.
Ved at ændre epigenomet var forskere i stand til at kontrollere et gens adfærd uden at ændre noget DNA direkte; genmodifikation snarere end genredigering. I forsøg på mus vendte forskerne symptomer på nyresygdom, type 1-diabetes og en form for muskeldystrofi. Det har også potentiale til at udrydde Alzheimers.
Hvad er CRISPR-Cas9?
CRISPR-Cas9 er et genomredigeringsværktøj, der er i stand til at skære DNA målrettet, så forskere nøjagtigt kan redigere livets byggesten. Du vil sandsynligvis se det nævnt sammen med den lidt mindre berømte duo CRISPR-Cas1 og CRISPR-Cas2 - som begge splejser skåret stykker DNA i en bakteriers eget genom (mere om det senere).
Cas9 blev faktisk først observeret i 1980'erne som en del af encellede bakteriers forsvarsmekanismer, som sikrer, at cellerne er i stand til at fjerne uønskede ubudne gæster. Forskere har fundet ud af, at de ved at tilpasse teknologien er i stand til at målrette genom-sekvenser med hidtil uset hastighed, præcision og nøjagtighed.
Forestil dig CRISPR-Cas9 som en søgning og erstat søgning i et computerdokument, kun i stedet for ord redigerer du genetiske sekvenser.Nøjagtig modifikation af DNA er en videnskabelig hellig gral, og potentialet er enormt. Det kunne bruges til at udrydde sygdomme - selv arvelige sygdomme som cystisk fibrose, seglcelleanæmi og Huntingtons kunne høre fortiden til.
Navnet CRISPR er et akronym for de mindre iørefaldende klyngede, regelmæssigt adskilte korte palindromiske gentagelser. Cas-delen henviser til tilknyttet CRISPR.
CRISPR-Cas9: Hvordan fungerer det?
CRISPR er en del af visse bakteriers naturligt forekommende forsvar. Når en bakterie opdager en invaderende virus, er den i stand til at kopiere og blande segmenter af det fremmede DNA i sit eget genom omkring CRISPR. Cas9 udskærer, mens Cas1 og Cas2 indsætter det udvendige DNA i celleens genom.
hvordan man forbinder uoverensstemmelse med træk
Næste gang virussen ses, har CRISPR en nøjagtig kopi af genomssekvensen, som Cas-proteinet kommer ind i: det kan skære DNA'et op og deaktivere uønskede gener med utrolig nøjagtighed.
Eller, som Carl Zimmer forklarer : Da CRISPR-regionen fyldes med virus-DNA, bliver det et molekylært mest eftersøgt galleri, der repræsenterer de fjender, mikroben har stødt på. Mikroben kan derefter bruge dette virale DNA til at gøre Cas-enzymer til præcisionsstyrede våben. Mikroben kopierer det genetiske materiale i hver afstandsdel til et RNA-molekyle. Cas-enzymer optager derefter et af RNA-molekylerne og holder det. Sammen driver viral RNA og Cas-enzymer gennem cellen. Hvis de støder på genetisk materiale fra en virus, der matcher CRISPR RNA, låses RNA fast. Cas-enzymerne hugger derefter DNA'et i to og forhindrer virussen i at replikere.
I 2012 offentliggjorde forskere fra University of California, Berkeley en banebrydende papir viser, at de var i stand til at omprogrammere CRISPR-Cas immunsystemet til at redigere gener efter ønske. CRISPR-Cas9 bruger et specifikt Cas-protein og et hybrid-RNA, der kan identificere og redigere enhver gensekvens. Mulighederne er enorme.
Kort sagt viser CRISPR de DNA-sekvenser, der skal målrettes, og derefter klipper Cas9. Forskere skal bare programmere CRISPR med den rigtige kode, og Cas9 gør resten.
Dette kunne også gælde for defekte gener - sektioner, der i øjeblikket forårsager problemer, kunne fjernes med CRISPR-Cas9 og derefter erstattes med sund genetisk kode, der teoretisk løser problemet.
CRISPR-Cas9: Er det blevet brugt på mennesker?
Ja, i Kina . Ved hjælp af humane embryoner fra en fertilitetsklinik forsøgte forskere at bruge CRISPR-Cas9 til at redigere et gen, der forårsager beta-thalassæmi i hver celle. Det skal bemærkes, at de anvendte donorembryoner ikke var levedygtige og ikke kunne have resulteret i en levende fødsel.
Under alle omstændigheder mislykkedes det og mislykkedes ganske dårligt: 86 embryoner blev injiceret, og efter 48 timer og omkring otte celler voksede overlevede 71 og 54 af dem blev genetisk testet. Bare 28 var blevet splejset med succes, og meget få indeholdt det genetiske materiale, som forskerne havde til hensigt.Hvis du vil gøre det i normale embryoner, skal du være tæt på 100%, lederforsker Fortalte Jungiu HuangNatur . Derfor stoppede vi. Vi synes stadig, det er for umodent.
Oven i det er det yderst sandsynligt, at der blev gjort mere udokumenteret skade. Som den New York Times forklarer :De kinesiske forskere påpegede, at genredigering næsten helt sikkert i deres eksperiment forårsagede mere omfattende skader, end de dokumenterede; de undersøgte ikke hele genomerne af embryocellerne.
Som du måske forestiller dig, forårsagede det en enorm mængde kontroverser i det videnskabelige samfund.
I november 2016 , blev en anden gruppe kinesiske forskere de første til at bruge CRISPR-Cas9 på et voksen menneske og injicerede en patient med lungekræft med patientens immunceller modificeret af CRISPR for at deaktivere PD-1-proteinet, hvilket teoretisk fik patientens krop til at kæmpe tilbage .
Derefter i en undersøgelse offentliggjort den 3. august, redigerede forskere med succes menneskelige embryoner og fjernede det defekte segment af DNA, der kan føre til arvelig hjertesygdom. Det var en milepælpræstation og gav veje til potentielt at forhindre omkring 10.000 enkeltmutationsgenetiske lidelser (dvs. sygdomme forårsaget af et enkelt defekt gen) hos fremtidige mennesker.
CRISPR-Cas9 og etik
Selvom de kinesiske forskere brugte embryoner, der ikke skulle udvikle sig til liv, er der reelle etiske bekymringer ved at eksperimentere med menneskelige embryoner - faktisk bare en måned før den kinesiske forskning blev offentliggjort, en gruppe amerikanske forskere opfordrede verden til ikke at gøre det .
En del af dette kommer ned på, hvor umoden teknologien er - husk, at den kun har været i aktiv brug siden 2012, og det ville være forbløffende, hvis den var fuldt modnet på dette tidspunkt. Forskere advarede om, at det var for misforstået og farligt at bruge på mennesker på dette tidspunkt, og den kinesiske forskning bekræfter bestemt denne bekymring. Selvom det fungerede fejlfrit, er der bekymring for, at uforudsete konsekvenser kan forekomme over generationer.
Men selvom det var 100% sikkert og vellykket, er der andre etiske bekymringer: mens ingen hævder, at vi skal holde potentialet i at udslette dræbende genetiske sygdomme som Huntingtons og cystisk fibrose, giver CRISPR-Cas9 potentielt muligheden for at ændre sig noget om en person. Så længe den genetiske sekvens er identificeret, kan den i teorien redigeres.
Det er en ting at fjerne livspåvirkende sygdomme før fødslen - det er en helt anden ting for forældre at kunne designe deres babyer til at være stærkere, hurtigere eller flottere. Selvom du accepterer, at dette er noget, folk skal have lov til at gøre, er chancerne for, at dette ville blive stærkt kommercialiseret, hvilket kun ville sikre, at de rige havde råd til alle de ekstra livsfordele, dette ville have haft, og som massivt påvirker ulighed.
CRISPR-Cas9: Hvad er der gjort indtil videre?
Selvfølgelig er disse etiske spørgsmål en million miles væk, da det eneste registrerede embryonale menneskelige eksperiment forårsagede et så højt profileret tilbageslag. Imidlertid viser CRISPR-Cas9 nu ekstremt lovende resultater i mindre tests.
Eksempler inkluderer Forebyggelse af hiv-infektion i humane celler , helbredelse af genetiske musesygdomme og et par aber født med målrettede mutationer .
CRISPR opstår også som et effektivt middel til at lagre data inden for DNA. I marts 2017 offentliggjorde et par forskere ved New York Genome Center en rapport i Videnskab journal, der beskriver metoder til lagring af komprimerede filer i DNA-molekyler. Ved hjælp af en algoritme til oversættelse af filerne til en binær kode, der kan kortlægges på DNA'ets nukleotidbaser, var forskerne i stand til at kode i alt seks filer: en akademisk artikel fra 1948, en Pioneer-plak, et operativsystem, en virus, 1895-filmenAnkomst af et tog til La Ciotat station... og et gavekort på $ 50 fra Amazon.
Et par måneder senere, et team af forskere ved Harvard Medical School kodede et looping-videoklip ind i DNA'et fra en levende E.Coli-bakteriecelle . Målet er at udvikle et system til fremstillingmolekylære optagere - DNA, der er i stand til at registrere sin egen information fra sine omgivelser. Dette kunne bruges i alt fra overvågning af jordforurening til revolutionering af vores forståelse af neurologisk aktivitet.
Som en del af DARPAs Safe Genes-program inkluderer de syv hold enhold ledet af Dr. Amit Choudhary ved Harvard Medical School, der udvikler måder til at kontrollere malariaspredende myg, et andet Harvard Medical School-team, der ønsker at bruge CRISPR til at opdage og vende mutationer forårsaget af stråling. Et team fra North Carolina State University ledet af Dr. John Godwin sigter mod at målrette gendrevssystemer hos rotter til at styre invasive arter, mens University of California, Berkeley ønsker at bruge CRISPR til at målrette mod Zika- og Ebola-vira. Den fulde liste over projekter og teamoplysninger findes på DARPAs websted.
For nylig delte strukturbiolog Osamu Nureki fra University of Tokyo utrolige optagelser af CRISPR-redigering af DNA i realtid, som var en del af hans teams nylige artikel, der blev offentliggjort i tidsskriftet. Naturkommunikation . Klippet nedenfor viser CRISPR-søgning i DNA, inden det foretages. Du kan se, at en streng af DNA bliver afbrudt.
Optagelserne blev oprindeligt vist til deltagere i CRISPR 2017 konference, der fandt sted i juni. Papiret blev indsendt efter denne konference og blev offentliggjort den 10. november.
CRISPR-Cas9: Kommer det til Storbritannien?
Ja. Stamcelleforskere i Storbritannien anmodet om tilladelse at modificere menneskelige embryoner i et forsøg på at forstå tidlig menneskelig udvikling og reducere sandsynligheden for abort. I februar 2016 blev denHuman Fertilization and Embryology Authority (HFEA) gav tilladelse.
CRISPR-Cas9: Hvorfor er CRISPR dårlig?
Som tidligere nævnt kan Cas9 kun genkende genetiske sekvenser på ca. 20 baser, hvilket betyder, at længere sekvenser ikke kan målrettes.Mere markant skærer enzymet stadig nogle gange det forkerte sted. At finde ud af, hvorfor dette er, vil i sig selv være et betydningsfuldt gennembrud - at rette op på det bliver endnu større.
Så er der naturligvis spørgsmålet om, at CRISPR ikke fungerede frygteligt godt i menneskelige embryoner, og dets nyere links til kræft.
CRISPR-Cas9: Hvem ejer det?
Det er ikke et simpelt spørgsmål at besvare. Det er genstand for en løbende patentkamp - overraskende, da CRISPR naturligt forekommer i visse bakterier.
Teknologianmeldelseforklarer at selvom CRISPR-Cas9 først blev beskrevet iVidenskabi 2012 af Jennifer Doudna fra UC Berkeley vandt Feng Zhang fra Broad Institute et patent på teknikken ved at indsende laboratoriebøger, der beviste, at han først havde opfundet den.
Første til at indgive patentrettigheder betyder, at dette skal tildeles Doudna, men beslutningen kunne have været besluttet på baggrund af først at opfinde regler, som ville have begunstiget Zhang. Til sidst, sagen blev løst i februar 2017 , da US Patent Trial and Appeal Board besluttede, at UC Berkeley ville få patentet for brugen af CRISPR-Cas9 i enhver levende celle, mens Broad ville få det i enhver eukaryot celle - det vil sige celler i planter og dyr.
Billeder: Petra B Fritz , VeeDunn , NIH Billedgalleri og Steve Jurvetson brugt under Creative Commons
