Tehnologija uređivanja gena pomoću sustava CRISPR-Cas9 može dovesti do mnogih neželjenih mutacija. Do ovog su zaključka došli znanstvenici s Medicinskog centra Sveučilišta Columbia. "Lenta.ru" govori o novoj studiji, čiji su rezultati objavljeni u časopisu Nature Methods.
CRISPR / Cas9 je molekularni mehanizam koji postoji unutar bakterija i omogućuje im da se bore protiv virusa s bakteriofazima. CRISPR su "kasete" unutar DNK mikroorganizma, koje se sastoje od ponavljajućih odsjeka i jedinstvenih nizova koji se nazivaju razmaknice. Potonji su fragmenti virusne DNK. U osnovi, CRISPR se može smatrati bazom podataka koja sadrži informacije o genima patogenih uzročnika. Protein Cas9 koristi ove informacije kako bi ispravno identificirao stranu DNA i učinio je bezopasnim rezanjem na točno određeno mjesto.
Točnost CRISPR / Cas9 omogućava da se koristi kao alat za uređivanje gena koji je mnogo učinkovitiji od prethodno postojećih metoda. Istraživači ubacuju DNK kasetu koja sadrži gen Cas9 proteina i regiju koja kodira posebnu ciljanu molekulu RNA (sgRNA) u stanicu u čijoj se genomu trebaju izvršiti promjene. Potonji se mogu pričvrstiti na točno određeno mjesto u genomu, što ukazuje na Cas9 gdje treba sjeći. Tada možete umetnuti željeni gen ili grupu gena u jaz, stvarajući modificiranu ćeliju.
Prednost CRISPR / Cas9 je u tome što može napraviti precizne promjene, smanjujući broj neželjenih posjekotina (off-target učinci) u drugim dijelovima genoma. Uz to, štedi vrijeme i novac - za razliku od drugih široko korištenih metoda koje koriste enzime nukleaze. CRISPR sustav je prikladniji za situacije u kojima je potrebno popraviti nekoliko oštećenih gena odjednom, jer zahtijeva samo sintetizaciju odgovarajuće sgRNA. U slučaju nukleusa, za svako specifično mjesto DNA potrebno je sakupiti svoj specifični enzim, koji je duži i skuplji.
CRISPR / Cas9 Umjetnička slika: Steve Dixon / Feng Zhang / MIT
Tehnologija je brzo postala popularna, ne samo među znanstvenicima, već i u popularnoj kulturi. Na primjer, ona se pojavljuje u zapletima nekih epizoda nove sezone Dosjea X kao oružje masovnog uništenja. Zabrinutost je izrazio i direktor američke nacionalne obavještajne službe, James Clapper, koji vjeruje da je genetsko inženjerstvo prijetnja. Međutim, ako se pogrešno koristi, svaka je tehnologija opasna. Na primjer, nestručna i česta upotreba antibiotika, koji su spasili živote stotinama tisuća ljudi, potiče pojavu superbubaka otpornih na antimikrobne lijekove.
Unatoč izmišljotini, sam CRISPR / Cas9 se, poput antibiotika, ne može upotrijebiti kao oružje uništenja ljudi. Ali možete stvoriti modificirane organizme, poput komaraca, koji će širiti neispravni gen u njihovoj populaciji, što može dovesti do snažnog smanjenja broja insekata koji sišu krv. Biolozi traže da budu izuzetno oprezni u pogledu takvih primjena.
Imune stanice napadaju rast karcinoma Foto: Steve Gschmeissner / Science Photo Library
Promotivni video:
Istovremeno, mnoge biotehnologije vjeruju da će tehnologija omogućiti uspješno liječenje opasnih bolesti, uključujući one uzrokovane genetskim uzrocima. Na primjer, Kina je krajem 2016. već eksperimentirala s liječenjem agresivnog karcinoma pluća. Pacijentove imunološke stanice uklonjene su i isključen gen koji suzbija borbu protiv malignih tumora. Postupak izmjene genoma bio je uspješan i stanice su ponovno unesene u pacijentovo tijelo.
CRISPR / Cas9 ima svoje nedostatke. Dakle, DNA razbijena molekularnim "škarama" gubi dio sekvence, što sprečava "točkasto" uređivanje, odnosno zamjenu jednog jedinog nukleotida. Biotehnolozi stvaraju poboljšane verzije sustava prevladavajući ta ograničenja. Na primjer, južnokorejski istraživači kombinirali su enzim Cas9 s drugim proteinom, citidin deaminazom. To je naučilo CRISPR / Cas9 da vrši pojedinačne nukleotidne supstitucije.
Međutim, postoji još jedan problem. Činjenica je da ova tehnologija može uvesti i neželjene mutacije, a znanstvenici još ne razumiju u potpunosti kako se to može eliminirati. Kada je riječ o liječenju ljudi, rizik je i dalje nerazumno velik: bočne promjene u genomu mogu uvelike naštetiti zdravlju.
Određeni algoritmi mogu predvidjeti gdje se u genomu mogu izvršiti nepotrebne zamjene. Oni djeluju vrlo dobro kad CRISPR modificira pojedine stanice ili tkiva, ali se ne koriste kada su u pitanju živi organizmi.
CRISPR / Cas9 struktura Foto: Ian Slaymaker / Široki institut
Na primjer, biotehnologi sa Sveučilišta Columbia koristili su tehnologiju za uklanjanje mutacija koje pokreću pigmentozu retinitisa. Za to su stanice kože uzete od pacijenta i reprogramirane u matične stanice. Neispravnost je zatim ispravljena pomoću CRISPR kasete. Takve modificirane stanice mogu se pretvoriti u stanice mrežnice i transplantirati u pacijenta radi obnavljanja vida.
Uz to, isti su znanstvenici stvorili genetski modificirane miševe, kojima su ubrizgali CRISPR u fazi zigote. Istraživači su zatim sekvencirali (odredili nukleotidnu sekvencu) cijeli genom miševa. Iako je CRISPR uspješno ispravio gen u kojem je oštećenje uzrokovalo sljepoću, također je uveo preko 1500 jednostrukih nukleotidnih mutacija i preko 100 delecija (brisanja kratkih presjeka) i umetanja. Računalni algoritmi nisu predvidjeli nijednu od ovih neželjenih promjena.
Modifikacija genoma dobar je način liječenja nasljednih bolesti koje su trenutno neizlječive. Prema Stephen Tsang-u, on i njegovi koautori smatraju da je važno da znanstvenici genetskog inženjeringa budu svjesni potencijalne opasnosti od neželjenih mutacija koje nastaju prilikom uređivanja DNK. Takve mutacije uključuju i nukleotidne supstitucije u kodirajućim područjima genoma, i u nekodirajućim regijama, gdje su locirani regulatorni elementi (oni kontroliraju aktivnost gena).
Unatoč mutacijama, miševi su dobro prošli. Biotehnolozi ostaju optimistični u pogledu genske terapije jer svaka medicinska intervencija ima nuspojave. Samo trebate znati što su oni. Ubuduće će to poboljšati tehnologiju kako bi se smanjili off-target učinci.
Aleksandar Enikeev