Genredigering tar et kjempesprang fremover

I 2015 hadde genredigering - evnen til å endre spesifikke baser i DNA-sekvensen til en levende organisme, i det vesentlige tilpasse dens genetiske sammensetning - flyttet fra et komplekst og ineffektivt laboratoriearbeid til den kliniske applikasjonen. Fremskritten, muliggjort av et molekylært verktøy kjent som CRISPR-Cas9, hadde vært intet mindre enn fantastisk. Den kraftige teknologien, imidlertid oppfunnet av den amerikanske forskeren Jennifer Doudna og den franske forskeren Emmanuelle Charpentier, og finjustert av den amerikanske forskeren Feng Zhang og kollegene, hadde også brakt ny press på langvarige diskusjoner om de etiske og sosiale implikasjonene rundt genteknologien til mennesker. Mange spørsmål, som genredigering bør brukes til å behandle menneskelig sykdom eller for å endre egenskaper som skjønnhet eller intelligens, hadde blitt stilt i en eller annen form i flere tiår. Disse spørsmålene var imidlertid ikke lenger teoretiske, og svarene på dem sto for å ha veldig reelle effekter på menneskets genetikk.

Tidlige forsøk på å rette opp genetiske feil.

CRISPR-Cas9-teknologien ble introdusert i 2012, men ideen om å bruke genredigering for å behandle sykdom eller endre trekk var mye eldre, datert minst til 1950-tallet og oppdagelsen av DNA. I midten av det 20. århundre med genetisk funn, skjønte forskere at sekvensen av baser i DNA (for det meste) blir overført trofast fra foreldre til avkom, og at små endringer i sekvensen kan bety forskjellen mellom helse og sykdom. Anerkjennelse av sistnevnte førte til den uunngåelige formodningen om at med identifisering av "molekylære feil" som forårsaker genetiske sykdommer, ville det komme midler til å fikse disse feilene og dermed muliggjøre forebygging eller reversering av sykdommer. Denne oppfatningen var den grunnleggende ideen bak genterapi, og siden 1980-tallet hadde den blitt sett på som en hellig gral innen molekylær genetikk.

Utviklingen av genredigerende teknologi for genterapi var imidlertid en bratt oppoverbakke kamp. Mye tidlig fremgang fokuserte ikke på å korrigere genetiske feil i DNA, men snarere på å forsøke å minimere deres konsekvenser ved å tilveiebringe en funksjonell kopi av det muterte genet, enten satt inn i genomet eller opprettholdt som en ekstrakromosomal enhet (utenfor genomet). Selv om denne tilnærmingen var effektiv under noen forhold, var den vanskelig og begrenset i omfang.

For å virkelig rette genetiske feil, trengte forskere å være i stand til å skape et dobbeltstrenget brudd i DNA på nøyaktig det ønskede stedet i de mer enn tre milliarder basepar som utgjør det menneskelige genom. Når den var opprettet, kan den dobbeltstrengede bruddet repareres effektivt av cellen. Å gjøre det første bruddet på det nøyaktige stedet - og ingen andre steder - innen genomet var imidlertid ikke lett.

Å bryte DNA på ønsket steder.

Før advent av CRISPR-Cas9 ble to tilnærminger brukt for å gjøre stedsspesifikke dobbeltstrengede brudd i DNA: en basert på sinkfingernukleaser (ZFNs) og den andre basert på transkripsjonsaktivatorlignende effektornukleaser (TALENer). ZFN-er er fusjonsproteiner sammensatt av DNA-bindende domener som gjenkjenner og binder seg til spesifikke 3- til 4-basepar lange sekvenser. Å overføre spesifisitet til en 9-basepar-målsekvens, for eksempel, vil kreve tre ZFN-domener smeltet sammen. Arrangementet av DNA-bindende domener er også smeltet sammen til en sekvens som koder for en underenhet av bakterienukleasen Fok1. Å tilrettelegge for et dobbeltstrenget kutt på et spesifikt sted krever prosjektering av to ZFN-fusjonsproteiner — en til å binde på hver side av målstedet, på motsatte DNA-tråder. Når begge ZFN-er er bundet, binder Fok1-underenhetene, i nærhet, seg til hverandre for å danne en aktiv dimer som kutter mål-DNA på begge strengene.

TALEN-fusjonsproteiner er designet for å binde seg til spesifikke DNA-sekvenser som flenser et målsted. Men i stedet for å bruke sinkfingerdomener, benytter TALENs DNA-bindende domener avledet fra proteiner fra en gruppe plantepatogener. Av tekniske årsaker er TALEN-er lettere å konstruere enn ZFN-er, spesielt for lengre gjenkjennelsessteder. I likhet med ZFN-er, har TALEN-er et Fok1-domene smeltet til det konstruerte DNA-bindende området, så når målsetningen er bundet på begge sider, kan den dimeriserte Fok1-nukleasen introdusere et dobbeltstrenget brudd på ønsket sted.

I motsetning til ZFN-er og TALEN-er, bruker CRISPR-Cas9 RNA-DNA-sekvensgjenkjenning, snarere enn protein-DNA-binding, for å lede nukleaseaktivitet, noe som forenkler utformingen og gjør det mulig å bruke det på et bredt spekter av målsekvenser. CRISPR-Cas9 ble avledet fra det adaptive immunsystemet til bakterier. Forkortelsen CRISPR refererer til gruppert regelmessig mellomrom kort palindromisk repetisjon, som finnes i de fleste bakteriegenomer. Mellom de korte palindromiske gjentakelsene er sekvensstrekninger som tydelig er avledet fra genomene til bakterielle patogener. "Eldre" avstandsstykker finnes i den distale enden av klyngen, og "nyere" avstandsstykker, som representerer mer nylig påviste patogener, finnes i nærheten av den proksimale enden av klyngen.

Transkripsjon av CRISPR-regionen resulterer i produksjon av små “guide RNA” som inkluderer hårnålsformasjoner fra de palindromiske gjentagelsene knyttet til sekvenser avledet fra avstandsstykkene, slik at hver enkelt kan feste seg til sitt tilsvarende mål. Det dannede RNA-DNA-heteroduplekset binder seg deretter til en nuklease kalt Cas9 og leder det til å katalysere spaltningen av dobbeltstrenget DNA i en posisjon nær krysset mellom den målspesifikke sekvensen og den palindromiske gjenta i guide-RNA. Fordi RNA-DNA heteroduplexes er stabile, og fordi utforming av en RNA-sekvens som binder seg spesifikt til en unik måls DNA-sekvens, bare krever kunnskap om Watson-Crick baseparringsregler (A binder til T [eller U i RNA], og C binder til G) var CRISPR-Cas9-systemet å foretrekke fremfor fusjonsproteinutformingene som kreves for bruk av ZFNer eller TALENer.

Søknader og kontroverser.

I 2015 hadde CRISPR-Cas9 blitt brukt på tidlige embryoer for å lage genmodifiserte organismer. CRISPR-Cas9 hadde også blitt injisert i blodomløpet hos forsøksdyr for å oppnå betydelig genredigering i en undergruppe av vev. Tilnærminger basert på CRISPR-Cas9 hadde blitt brukt for å modifisere genomene til avlingsplanter, husdyr og laboratoriemodellorganismer, inkludert mus, rotter og ikke-menneskelige primater. Systemet muliggjorde opprettelse av dyremodeller for menneskelig sykdom og fjerning av HIV fra infiserte celler. I en musemodell av menneskelig sykdom ble CRISPR-Cas9 brukt for å lykkes med å rette en genetisk feil, noe som resulterte i klinisk redning av syke mus. Det så ut til at det var få, om noen, uoverkommelige tekniske begrensninger for CRISPR-Cas9 genredigering.

I 2015 talte en gruppe forskere som inkluderte Doudna tilbakeholdenhet i bruken av CRISPR-Cas9-teknologi til mennesker, i det minste inntil sikkerhet og etiske implikasjoner av redigering av mennesker kunne vurderes tilstrekkelig. Andre forskere rådet til en "full-steam-ahead" -tilnærming, og hevdet at den nye teknologien hadde nøkkelen til å lindre mye menneskelig lidelse, og at å holde det ville være uetisk. I slutten av april utstedte Francis Collins, direktør for de amerikanske nasjonale instituttene for helse (NIH), en uttalelse som erklærte at NIH ville fortsette å finansiere forskning som involverer genredigeringssystemer, inkludert CRISPR-Cas9; NIH ville imidlertid ikke finansiere forskning som involverte genredigering av menneskelige embryoer. I begynnelsen av mai kom imidlertid allerede rapporter fra Kina om genredigeringsforsøk på menneskelige embryoer. Det er tydelig at CRISPR-Cas9 genredigering vil bli brukt, i alle fall i noen land, for å modifisere det menneskelige genom. De positive og negative konsekvensene av disse aktivitetene ble sett på som potensielt omdefinere fremtiden for menneskets genetikk.