Автор: Росица Ташкова, магистър по молекулярна биология и микробиология

CRISPR е генна терапия за генетично редактиране

Приближаваме ли се до научно-фантастичния сценарий за дизайнерски бебета, ще можем ли да отстраним генетичните мутации още в зародиш и етично ли е да се намесваме до такава степен в появата и оформянето на живота, смятан досега за чудо?

Откритието на технологията за генно редактиране CRISPR-Cas9 поставя всички тези и други въпроси.

В статията ще прочетете:

  • Генното редактиране - фантазия или реалност
  • Какво стои зад абревиатурата "CRISPR-Cas9" и как работи
  • Приложения на системата CRISPR-Cas9
  • CRISPR като генна терапия и може ли да се използва за лечение
  • Успешни случаи на лечение с генна терапия и CRISPR
  • Технически пречки пред използването на технологията
  • Етично ли е да се намесваме в собствената си природа

Генното редактиране - фантазия или реалност

Редактирането на генома (наричано още генно редактиране) е група технологии, които дават възможност на учените да променят ДНК на организма. Тези технологии действат като своеобразни ножици и позволяват добавяне, премахване или промяна на генетичен материал на точно определени места в генома.

Разработени са няколко подхода за редактиране на геноми. Наскоро стана известна системата CRISPR-Cas9 (от 2009 г.), която породи много вълнения в научната общност, защото е по-бърза, по-евтина, по-точна и по-ефективна от другите съществуващи методи за генно редактиране.

Редактирането на генома е от голям интерес за превенцията и лечението на заболявания при човека. Към момента повечето изследвания в тази насока се правят с цел да се разберат механизмите на различни заболявания с помощта на клетки и животински модели.

CRISPR се изследва върху животни, мишки, риби зебра

За целта, учените редактират геномите на животни, като мишки и рибки зебра [ref. 11], защото животните и хората имат много общи гени. Например, мишките и хората споделят около 85% от гените си! Променяйки един ген или множество гени в мишка, изследователите могат да наблюдават как тези промени влияят върху здравето на мишката и да предполагат как подобни промени в човешкия геном могат да повлияят на нашето здраве.

Учените все още се опитват да разберат дали този подход е безопасен и ефективен за приложение при хората. Той се използва при изследванията на голямо разнообразие от заболявания, включително муковисцидоза, хемофилия и сърповидно-клетъчна анемия. Има надежди, че ще може да се използва за лечение и профилактика на по-сложни заболявания, като рак, сърдечни заболявания, психични заболявания и СПИН (HIV).

Какво стои зад абревиатурата "CRISPR-Cas9" и как работи

Технологията CRISPR-Cas9 се основава на система за генно редактиране, която естествено се открива в бактерии. Бактериите улавят фрагменти от ДНК от навлизащи в тях вируси и ги използват за създаване на ДНК сегменти, известни като CRISPR масиви.

CRISPR масивите позволяват на бактериите да „запомнят“ вирусите. Ако вирусите атакуват отново, бактериите произвеждат РНК сегменти от CRISPR масивите, които разпознават и се насочват към съответните ДНК последователности на вирусите. След това бактериите използват Cas9 или друг подобен ензим, за да срежат ДНК, което деактивира вируса. Може да се каже, че това е имунната система на бактериите.

CRISPR-Cas9 е имунната система на бактериите срещу вирусите

Системата CRISPR-Cas9 работи по подобен начин и в лабораторията. Изследователите създават малко парче РНК с кратка последователност, играеща ролята на "водач", която се прикрепя към определена целева последователност на ДНК в генома. РНК също се свързва с ензима Cas9. [ref. 10]

Както при бактериите, модифицираната РНК се използва за разпознаване на последователността на ДНК, а ензимът Cas9 срязва ДНК на целевото място. След като ДНК бъде срязана, изследователите използват собствената машина за ремонт на ДНК на клетката, за да добавят или изтрият парчета генетичен материал или да правят промени в ДНК, като заменят съществуващ сегмент с нова ДНК последователност.

Приложения на системата CRISPR-Cas9

Технологията е използвана за функционално инактивиране на гени в човешки клетъчни линии и клетки (в лабораторни условия), за изследване на гъбичката Candida albicans, за модифициране на дрожди, използвани за производството на биогорива и генетично модифициране на посевни култури. [ref. 1] CRISPR може да се използва и за изменяне на комари, така че те да не могат да предават заболявания като малария [ref. 2].

CRISPR-Cas9 може да намери приложение и като диагностичен инструмент. Вместо ензима Cas9, може да се използва и друг сходен ензим, например Cas13, който освен че срязва целевия участък от ДНК, започва да реже и РНК безразборно, което може да послужи за сигнализация при диагностичните тестове.

CRISPR действа като ножица, която реже ДНК

Например, през 2018 г. е създаден тестът SHERLOCK, към който са добавени молекули РНК, които сигнализират, когато бъдат нарязани от Cas13. Изрязаната РНК задейства образуването на тъмна ивица върху хартиена лента - подобно на положителния резултат при тест за бременност - което показва наличието на генетичната последователност, която CRISPR е проектиран да открие. С други думи - ако в пробата има генетичен материал от даден вирус, системата CRISPR-Cas13 ще го открие и на тестовата лента ще се появи тъмна ивица [ref. 3].

CRISPR като генна терапия и може ли да се използва за лечение

Учените разработват генни терапии (лечения, включващи генно редактиране) за предотвратяване и лечение на заболявания при хората. Те имат потенциал да помогнат за лечение на генетични заболявания, като муковисцидоза и диабет.

Съществуват две различни категории генни терапии: зародишна терапия и соматична терапия.

Зародишните терапии променят ДНК в репродуктивните клетки (сперматозоиди и яйцеклетки). Промените в ДНК на репродуктивните клетки се предават от поколение на поколение.

Соматичните терапии, от друга страна, са насочени към нерепродуктивните клетки и промените, направени в тези клетки, засягат само човека, който получава генната терапия, т.е. не се предават на поколението му.

Генното редактиране може да се извърши в репродуктивните клетки сперматозоиди и яйцеклетки

Успешни случаи на лечение с генна терапия и CRISPR

През 2015 г. учени в Обединеното кралство успешно са използвали соматична генна терапия за лечението на момиченце на име Лейла. Тя се е борила с левкемия, вид рак на кръвта. В случая, използваната технология не е CRISPR, а TALENs. [ref. 4]

Лекарите са опитвали много лечения преди това, но безуспешно. Затова учените получили специално разрешение за лечение на Лейла с помощта на генна терапия. В крайна сметка, тази терапия спасява живота на Лейла. Въпреки това, този тип лечение все още е експериментално, тъй като има много технически бариери и етични проблеми, свързани с редактирането на генома.

Наскоро беше съобщено, че двама души с бета таласемия и един със сърповидно-клетъчна анемия вече не се нуждаят от кръвопреливане, след като техни собствени стволови клетки от костния им мозък са били генно редактирани с CRISPR. [ref. 5]

Четете още в статията Таласемия и сърповидно-клетъчна анемия: билки и добавки в помощ на страдащите.

Това са първите пациенти, за които официално се съобщава, че са били подложени на генна терапия с CRISPR.

Бета таласемията и сърповидно-клетъчната анемия са състояния, причинени от мутации, които засягат хемоглобина - белтъкът, който носи кислорода в червените кръвни клетки. Пациентите с тежки форми на заболяванията изискват редовни кръвопреливания.

CRISPR е използвна за лечение на сърповидно-клетъчна анемия и таласемия

Четете още: Видове таласемия, симптоми и лечение

Има много малък брой хора, които носят мутациите за тези заболявания, но нямат никакви симптоми, защото в зряла възраст продължават да произвеждат фетален хемоглобин. Обикновено феталният хемоглобин спира да се произвежда скоро след раждането.

Това откритие е вдъхновило разработването на лечение, което да повиши този тип хемоглобин. В това проучване, стволови клетки от костния мозък на пациентите са били извлечени и генът, който изключва производството на фетален хемоглобин, е деактивиран чрез CRISPR.

Останалите клетки на костния мозък се убиват чрез химиотерапия, след което се заменят с редактирани клетки. Това се прави, за да се гарантира, че новите кръвни клетки се произвеждат от редактираните стволови клетки, но химиотерапията може да има сериозни странични ефекти.

Четете още: Трансплантацията на стволови клетки като лечение на рак

Първите двама пациенти с бета таласемия вече не се нуждаят от кръвопреливане. Те са били подложени на генната терапия преди 15 и преди 5 месеца. Пациентката със сърповидно-клетъчна анемия също е добре, девет месеца след лечението. [ref. 6]

Тримата пациенти изпитват някои неблагоприятни ефекти от химиотерапията, но редактирането на гена чрез CRISPR към момента изглежда безопасно. Въпреки това пациентите ще бъдат наблюдавани до края на живота си.

Технически пречки пред използването на технологията

Въпреки че технологията CRISPR e по-добра от по-старите технологии за генно редактиране, тя не е съвършена. Понякога срязванията се случват на грешно място. Учените все още не са сигурни как тези грешки могат да повлияят на пациентите.

Оценката на безопасността на генните терапии и подобряването на технологиите за редактиране на гените са критични стъпки, за да се гарантира, че те може да се прилагат при пациентите.

Но способността на CRISPR технологията за безопасно редактиране на гени в човешките ембриони е поставена под съмнение след няколко скорошни доклади, описващи огромни повреди в ДНК на ембриони, подложени на редактиране.

Експериментите, описани във всеки от трите доклада, публикувани като препринтове в сървъра bioRxiv, са имали за цел да се редактира само един ген. Но резултатите показват мащабни, непредвидени участъци от ДНК, които са били изтрити или пренаредени в зоните около целевата последователност.

Докато предишните изследвания показват, че генетичното редактиране може да доведе до мутации далеч от целевия регион, тези нови проучвания обръщат внимание на по-локализираните щети, включващи по-големи последователности на ДНК, които биха могли да бъдат пренебрегвани от традиционните скрининги за безопасност.

Тези изследвания са били предназначени само за изследователски цели, което означава, че ембрионите са били унищожени след приключването на експеримента. Но в отговор на техните открития, много изследователи изразяват възраженията си срещу продължаване на опитите с редактиране на ембриони. [ref. 12]

Етично ли е да се намесваме в собствената си природа

Както учените, така и всички ние трябва внимателно да обмислим многото етични проблеми, които могат да възникнат с редактирането на генома, включително безопасността. На първо място, редактирането на генома трябва да е безопасно, преди да се използва за лечение на пациенти.

Повечето от промените при генното редактиране са ограничени до соматичните клетки и засягат само определени тъкани, като не се предават от едно поколение на друго. Но промените, направени в гените в яйцеклетките или сперматозоидите (клетките на зародишните линии) или в гените на ембриона, могат да бъдат предадени на бъдещите поколения. [ref. 9]

Редактирането на половите клетки и на генома на ембриона създава редица етични предизвикателства, включително дали би било допустимо тази технология да се използва за подобряване на човешки черти като височина или интелигентност. По тази причина редактирането на зародишни клетки и ембриони в момента в много страни е незаконно.

CRISPR е използвана при два ембриона и бебетата са родени

През 2018 г. китайският учен Хъ Цзянкуей (He Jiankui) съобщи, че е извършил генно редактиране при 2 ембриона, които след това са били имплантирани, износени и родени. Бащата на децата е ХИВ-позитивен и Хъ Цзянкуей използвал CRISPR, за да въведе промени в генома на ембрионите, които да ги направят резистентни към вируса (малък брой хора по природа са устойчиви на заразяване с ХИВ, тъй като имат мутация в рецептора, с който вирусът се свързва, за да инфектира клетките). Това се е случило без родителите да разбират добре същността на манипулацията.

Случилото се предизвика силно негодувание в научните среди, като много учени призоваха за мораториум върху приложението на техниката при човешки ембриони, тъй като смятат, че това е неетично и е твърде рано да се предприемат подобни стъпки.

Сега, Хъ Цзянкуей е осъден на 3 години затвор и глоба от 430 000 долара. Присъди са получили и двама негови колеги, участвали в експеримента. Междувременно се е родило и трето бебе, модифицирано по същия начин и от същия екип. [ref. 7]

Към момента не се знае нищо за състоянието и здравето на бебетата. Има данни, че редактирането не само е било неуспешно - някои клетки на бебетата носели мутантния ген, други не, но вероятно редактирането е довело до други нежелани мутации, които може да се окажат пагубни за живота на децата в бъдеще. [ref. 8]

Някои други етични въпроси, които учените и обществото трябва да разгледат са:

  • Добре ли е да се използва генна терапия върху ембрион, когато е невъзможно да се получи разрешение от ембриона за лечение? Достатъчно ли е получаването на разрешение от родителите?
  • Какво става, ако генните терапии са твърде скъпи и само заможните хора могат да получат достъп и да си ги позволят? Това би могло да задълбочи съществуващите неравенства в здравето между богатите и бедните.
  • Ще използват ли някои хора генното редактиране за черти, които не са важни за здравето, като атлетически способности или ръст? Това допустимо ли е?

Повечето хора са съгласни, че понастоящем учените не трябва да редактират геномите на зародишните клетки. Много държави и организации имат строги разпоредби, за да предотвратят редактирането на зародишни линии поради изброените горе причини. Само бъдещето ще покаже дали CRISPR ще предизвика революция в медицината или ще бъде отхвърлена като неблагонадеждна и неетична технология.

 

Четете още:

Как гените определят приликата с родителите ни

Как нуклеиновите киселини ДНК и РНК дирижират живота

Има ли смисъл да си направиш генетичен тест?

Епигенетиката или как начинът на живот управлява гените ни

Мутации срещу Естествен подбор

 

Източници:

  1. CRISPR, the disruptor. Nature. 2015
  2. Can CRISPR-Cas9 gene drives curb malaria? Nature Biotechnology. 2016
  3. Faster, better, cheaper: the rise of CRISPR in disease detection. Nature. 2019
  4. What is genome editing? www.genome.gov
  5. A Year In, 1st Patient To Get Gene-Editing For Sickle Cell Disease Is Thriving. NPR. 2020
  6. Three people with inherited diseases successfully treated with CRISPR. www.newscientist.com
  7. CRISPR Babies Scientist Sentenced to 3 Years in Prison. www.scientificamerican.com
  8. Flawed DNA editing of alleged ‘designer babies’ may have put their health at risk. www.theverge.com
  9. What are genome editing and CRISPR-Cas9? ghr.nlm.nih.gov
  10. Genome engineering using the CRISPR-Cas9 system. Nature Protocols. 2014
  11. Efficient genome editing in zebrafish using a CRISPR-Cas system. Nature Biotechnology. 2013
  12. CRISPR Gene Editing Prompts Chaos in DNA of Human Embryos. The Scientist. 2020

 

За автора:

👩‍🔬 Росица Ташкова-Качарова е бакалавър по молекулярна биология и магистър по микробиология и микробиологичен контрол. Дипломната си работа за магистърската степен прави в Университет на Нант, Франция. По това време рисува елхичка от бактерии и вдъхновява обявяването на първия конкурс за рисунка с микроорганизми Агар Арт. В продължение на 3 години е редактор на сп. Българска наука и продължава да пише за наука на достъпен език.