Kas yra CRISPR genų redagavimas ir kaip tai veikia?

Sveiki! Jau daug metų dirbu gydytoju Lietuvoje ir nuolat domiuosi medicinos naujovėmis. Šiandien noriu papasakoti apie CRISPR – revoliucinę genų redagavimo technologiją. Įsivaizduokite, kad turime molekulines žirkles, kurios gali tiksliai iškirpti ir pakeisti gedimus mūsų DNR. Būtent taip veikia CRISPR. Smalsu sužinoti daugiau? Skaitykite toliau!

2013 m. du biochemikai paskelbė dokumentą, kuriame paskelbė, kad jie atrado potencialiai žaidimą keičiantį manipuliavimo genais metodą. CRISPR, kuris skamba kaip vegetariškas gastronomijos baras, kiekvienam laimėjo Nobelio premiją.

Per daugelį metų CRISPR (arba Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) pateisino ažiotažą. Tai pakeitė pasaulinį mokslo kraštovaizdį ir iškėlė klausimų, kokių revoliucinių pokyčių mokslininkai ir sveikatos priežiūros paslaugų teikėjai galėtų ir turėtų siekti.

O kas, jei galėtume padaryti maistą nealergiškus ir pasėlius atsparius sausrai? O kas, jei galėtume panaikinti invazines rūšis ir apsisaugoti nuo infekcinių ligų, tokių kaip maliarija? O kas, jei galėtume atgaivinti išnykusias rūšis? Ką daryti, jei galėtume pašalinti arba ištaisyti mutacijas, kurios sukelia paveldimas ligas? Arba sukurti individualų imunoterapiją, skirtą asmens vėžiui gydyti?

Perspektyvos tokios įdomios.

Jei jūsų supratimas apie genetiką prasideda ir baigiasi vidurinės mokyklos biologija – arba (labai išgalvota) Juros periodo parkas filmai – tu ne vienas. Šis dalykas yra sudėtingas. Štai kodėl paprašėme genomikos ir imunoterapijos eksperto Timothy Chano (MD, PhD) mums sunaikinti CRISPR, kad galėtume geriau suprasti, kodėl praėjus daugiau nei dešimtmečiui mokslininkai vis dar taip jaudinasi.

Kas yra genų redagavimas?

Prieš pereidami prie CRISPR, pradėkime nuo genų redagavimo koncepcijos.

Genų redagavimas yra genetinės medžiagos (DNR) keitimo procesas. Tai gali reikšti kelių atskirų genų arba visos sekos pakeitimą. Jau daugiau nei dešimtmetį vykdomi tyrimai, skirti genų redagavimo naudojimui mutacijomis, kurios sukelia rimtų žmonių sveikatos sutrikimų. Šio genų redagavimo tyrimo tikslas yra pašalinti arba ištaisyti mutaciją, kuri sukelia sveikatos būklę arba turi potencialą sukelti tokį, pvz., tam tikrą vėžį. Kituose tyrimuose tiriamas genų redagavimas, kad mutacija nebūtų perduodama vaikams gimus.

Pavyzdžiui, JAV Maisto ir vaistų administracija (FDA) 2022 m. pabaigoje patvirtino genų terapiją, pagal kurią hemofilija B sergantiems žmonėms įvedamas genas, reikalingas kraujo krešėjimui. Tai vienas iš kelių šiuo metu naudojamų ląstelių ir genų terapijos produktų.

Yra daug skirtingų genų redagavimo metodų ir programų. CRISPR yra vienas iš genų redagavimo metodų, kuris rodo daug žadą vykstančiuose klinikiniuose tyrimuose.

CRISPR technologija

Dabar, kai aišku, kas yra genų redagavimas, sutelkime dėmesį į konkretų metodą: CRISPR.

Clustered Regularly Interspaced Short palindromic Repeats, kitaip žinomas kaip CRISPR, „iš pradžių buvo identifikuotas bakterijose kaip bakterijų apsaugos sistema“, – sako dr. Chanas.

Teisingai. Bakterijos taip pat turi imuninę sistemą.

CRISPR yra „tarpinių” – DNR sekos, likusios nuo nedraugiškų virusų ar kitų subjektų, taip pat pasikartojančių genetinės medžiagos dalių. Šios sekos suteikia įgytą imunitetą ir sudaro genų redagavimo sistemos ar proceso statybinius blokus. Tai sukuria tam tikrą planą, leidžiantį genetinės medžiagos fermentams pakeisti DNR sekas gyvose ląstelėse. Vienas iš geriausiai žinomų šiam tikslui naudojamų fermentų vadinamas Cas9, todėl kartais išgirsite žmones kalbant apie CRISPR-Cas9.

„Bėgant metams žmonės atrado, kad specifiniai fermentai, leidžiantys CRISPR veikti – Cas9 yra vienas iš jų. Tačiau yra ir kitų, ir jas galima pritaikyti pagal dominančias DNR sekas, kad būtų galima atlikti konkrečius pjūvius“, – aiškina daktaras Chanas.

Kaip veikia CRISPR redagavimas

Galite manyti, kad pagrindinis CRISPR genų redagavimo mechanizmas yra panašus į tai, kaip magnetinės figūros pritraukiamos viena prie kitos arba kaip „Lego“ kaladėlės dera tarpusavyje.

CRISPR segmentai yra transkribuojami į RNR. Ši RNR apima orientacinę seką, kuri atitinka esamą DNR žmogaus kūne.

„Ta vadovo seka gali būti pritaikyta bet kam, ko norite“, – sako dr. Chanas. „Ir dėl to galite labai tiksliai atlikti konkrečius pakeitimus ar mutacijas genomo dalyje, į kurią taikote.”

Kartu su šia vadovo seka yra fermentas, toks kaip Cas9.

Kai pagalbinė seka ir fermentas suranda norimą redaguoti DNR, fermentas gali pradėti dirbti. Jis prisiriša prie šios DNR ir daro pakeitimus, nesvarbu, ar tai yra pjūvis, ar pakeitimas.

CRISPR technologija nuėjo ilgą kelią, sako daktaras Chanas. „Pirmoji CRISPR karta buvo puikus būdas inaktyvuoti genus. Tai padarė tik genų lūžį. Tada DNR bus užpildyta natūraliais remonto fermentais.

Tačiau naujos CRISPR versijos, tokios kaip CRISPR prime arba CRISPR HD, yra pažangesnės.

„Tai gali leisti faktiškai pakeisti“, – tęsia daktaras Chanas. „Jūs netgi galite labai tiksliai pakeisti vieną seką – vieną iš genomo raidžių – kita raide. Ir jūs galite padaryti konkrečias mutacijas.

CRISPR gebėjimas atlikti labai specifinius, labai nedidelius pjūvius gali pakeisti tai, kaip sveikatos priežiūros paslaugų teikėjai gali spręsti tam tikras genetines ligas.

Dr. Chan optimistiškai vertina CRISPR ateitį, remdamasis vykstančių klinikinių tyrimų su žmonėmis sėkme. „Bet kokio tipo genetinėms ligoms, kurias sukelia vienas mutavęs genas, galite naudoti CRISPR, kad jį mutuotumėte ir paverstumėte normaliu. Štai kodėl tai naudinga. Tai būdas mums pakeisti genomo klaidas.

„Šiuo metu CRISPR yra skirtas ištaisyti vieną genų pokytį“, – priduria jis. „Nors deriniai gali būti įmanomi ateityje, mes dar nesame ten.

Ar tai patvirtino FDA?

Nors genų redagavimas jau naudojamas, CRISPR vis dar yra klinikinių tyrimų fazėje, sako dr. Chan. „Jis visą laiką naudojamas tyrimų laboratorijose ir pramonės šakose“, – pažymi jis. „Daugelis klinikinių tyrimų išbando CRISPR genetinių ligų ir vėžio srityje.”

Įdomu tai, kad CRISPR gali būti naudojamas aptikti tam tikras ligas. Žinomiausias pavyzdys yra Sherlock CRISPR SARS-CoV-2 rinkinys: COVID-19 testas, kuriam 2020 m. FDA buvo suteiktas leidimas naudoti ekstremaliomis sąlygomis (EAU).

„Tačiau šiuo metu nėra jokios FDA patvirtintos CRISPR terapijos. Klinikiniai tyrimai vyksta“, – sako jis.

Tai apima CRISPR tyrimus, skirtus koreguoti genetines ligas, tokias kaip cistinė fibrozė, Hantingtono liga ir raumenų distrofija.

Dr. Chan priduria, kad taip pat atliekami dideli klinikiniai kraujo sutrikimų tyrimai, kurių metu CRISPR naudojamas genų pakitimams, sukeliantiems šią būklę, koreguoti. Kaip vieną pavyzdį jis pateikia daug žadantį tyrimą, kuriame nagrinėjamas CRISPR-Cas9 genų redagavimas pjautuvinių ląstelių ligai ir β-talasemijai, apie kurį buvo parašyta 2021 m. pradžioje. Naujosios Anglijos medicinos žurnalas. β-talasemija yra paveldima kraujo liga, paveikianti organizmo gebėjimą gaminti hemoglobiną – geležies turintį baltymą, kuris yra pagrindinis raudonųjų kraujo kūnelių ingredientas.

Taip pat yra klinikinių tyrimų, kuriais siekiama išsiaiškinti, ar CRISPR gali būti naudojamas tam tikroms vėžio formoms gydyti. Dr. Chan pažymi, kad chimerinių antigenų receptorių (CAR) T-ląstelių terapija yra viena iš pirmųjų patvirtintų leukemijų genų terapijų. Dabartiniais tyrimais tiriama, ar CRISPR technologija gali padaryti šį gydymą dar veiksmingesnį.

„Taikant CAR T-ląstelių terapiją, jūs paimate T-ląsteles iš kažkieno ir įdedate receptorių – tai naujas būdas šioms ląstelėms ką nors nukreipti į vėžines ląsteles – ir tada grąžinate šias ląsteles į pacientą“, – aiškina jis. „Mokslininkai dabar atlieka bandymus, kuriuose jie naudoja CRISPR, kad pakeistų šias T ląsteles, kad jos būtų dar aktyvesnės.”

CRISPR terapija gali būti įvairių formų. CRISPR anksčiau buvo įterptas tiesiai į kūną. 2020 m. jis buvo sušvirkštas į akis septyniems žmonėms, sergantiems retu paveldimu aklumo sutrikimu, du iš jų vėliau NPR pasakė, kad atgavo gebėjimą matyti spalvas. Šiuo metu vyksta bandymai su žmonėmis, kurių metu CRISPR pristatomas per gelius ir kremus, per maistą ar gėrimus, persodinant odą ar suleidžiant injekcijas. Ex vivo pristatymas taip pat yra įprastas: tada CRISPR naudojamas modifikuoti ląsteles už kūno ribų. Tada ląstelės vėl įterpiamos į organizmą naudojant nekenksmingą virusą.

Rezultatai iki šiol buvo daug žadantys. „Tikiu, kad per ateinančius trejus ar penkerius metus – galbūt net anksčiau – sulauksime patvirtinimo gydyti kai kurias ligas“, – teigia daktaras Chanas.

Rizika ir nauda

Dr. Chan teigia, kad taikant bet kokį CRISPR terapijos tipą kyla „netikslinio poveikio“ arba netikėto šalutinio poveikio rizika.

„Kai keičiate kažką tokio esminio, kaip DNR, tiesiog nežinai, kas gali nutikti“, – aiškina jis. „Visada yra netikėtumų tikimybė. Jūs galite turėti įtakos savo DNR, kurios nebuvo numatyta.

Šiuo metu jis neturi jokių konkrečių pavyzdžių, koks gali būti šis poveikis, ir jis pažymi, kad esami tyrimai rodo, kad rizika yra gana maža. Vis dėlto būsimų tyrimų duomenys gali papasakoti kitokią istoriją.

Vis dėlto, daktaras Chanas mato „daug potencialo“ CRISPR ateinančiais metais.

„Srityje juda labai greitai“, – sako jis. „Matome nuolatinį naudojamų CRISPR įrankių tobulinimą.

„Jis darosi vis tikslesnis ir lankstesnis kalbant apie tai, ką galite padaryti. Dabar yra įvairių modifikuotų CRISPR variantų, kurie leidžia atlikti labai konkrečius, labai tikslius pakeitimus su mažiau pašalinių efektų. Taigi, manau, kad ateitis yra labai šviesi.

Taigi, trumpai tariant, CRISPR – tai tarsi molekulinės žirklės, leidžiančios mums tiksliai redaguoti genus. Per savo ilgametę praktiką mačiau, kokį potencialą ši technologija turi – nuo paveldimų ligų gydymo iki naujų vaistų kūrimo. Nors dar daug nežinome ir reikia atsargumo, CRISPR genų redagavimas atveria neįtikėtinas galimybes medicinoje ir, tikiu, ateityje iš esmės pakeis mūsų gyvenimus.