Źródło: Front Line Genomics

Eksperymenty edytowania DNA metodą CRISPR/Cas przesuwają granice naukowe i etyczne

Autor: Agata Młodzińska
Publikacja: 2017-09-12

System CRISPR to metoda obronna organizmów prokariotycznych (archeonów i bakterii) przed "obcym" materiałem genetycznym np. plazmidami czy bakteriofagami. Jest to swego rodzaju system immunologiczny mikroorganizmów, którego działanie polega na rozpoznaniu „obcego” materiału genetycznego w komórkach i zniszczeniu go poprzez cięcia nici DNA za pomocą enzymów zwanych nukleazami (np. Cas).

Po raz pierwszy metoda edycji DNA z wykorzystaniem kompleksu CRISPR/Cas została opublikowana przez naukowców z instytutu MIT i Harvard w lutym 2013 roku (źródło: Science. 2013 February 15; 339(6121): 819–823. doi:10.1126/science.1231143). Badania te zostały przeprowadzone na ludzkich i mysich liniach komórkowych. Naukowcy wykorzystali system CRISPR bakterii Streptococcus pyogenes, który opiera się na enzymie Cas9, odpowiedzialnym za cięcie nici DNA. W uproszczeniu, eksperyment polegał na takim pokierowaniu działaniem enzymu Cas9, aby przerwanie nici DNA wystąpiło w określonym miejscu w genomie. Takie przecięcie nici w konsekwencji uruchamia samoczynny proces naprawy DNA, który może zachodzić w dwojaki sposób: poprzez usunięcie/dodanie nukleotydów lub przyłączenie fragmentu informacji genetycznej dostarczonego z zewnątrz, który uzupełni „dziurę” w sekwencji i zmieni jej znaczenie biologiczne. Wprowadzone przez naukowców modyfikacje systemu CRISPR pozwoliły na wydajne usuwanie mutacji genetycznych w komórkach eukariotycznych oraz wykorzystanie opisanej metody przez innych naukowców i u innych organizmów.

Opracowanie techniki CRISPR/Cas otworzyło niezwykłe możliwości edycji informacji genetycznej, z czasem znalezione zostały również inne jej zastosowania, jak tworzenie zwierzęcych i komórkowych modeli chorób, wizualizację swoistych miejsc w genomie żywych komórek, czy aktywację lub zahamowanie ekspresji wybranych genów. Mimo tej mnogości i potencjału zastosowań w medycynie, jedna rzecz zwraca szczególną uwagę. We wczesnym etapie rozwoju zarodka możliwa jest edycja DNA całego organizmu (gdyż składa się on ze stosunkowo niewielkiej liczby komórek). Teoretycznie zatem, technika umożliwia „ulepszanie” człowieka. Czy nie jest to przypadkiem o jeden krok za daleko?

W kwietniu 2015 roku grupa naukowców z Chin ogłosiła wyniki badań modyfikacji genu związanego z chorobami krwi w ludzkich embrionach (źródło:Nature:10.1038/nature.2016.19718). W tym samym czasie inna grupa naukowców z Chin opublikowała wyniki podobnych badań - próby nadania embrionom ludzkim odporności na zakażenie wirusem HIV. Analiza genetyczna wykazała że 4 spośród 26 ludzkich embrionów zostało z powodzeniem zmodyfikowanych. Aby odsunąć od siebie podejrzenia o prowadzenie eksperymentów na nienarodzonych dzieciach autorzy publikacji zastosowali dwa środki zapobiegawcze. Po pierwsze, stworzyli embrion ludzki poprzez zapłodnienie komórki jajowej dwoma plemnikami - co według autorów uniemożliwia „powstanie życia” - ma być jednak satysfakcjonującym modelem badawczym w modyfikacji DNA z udziałem ludzi. Po drugie, embriony po 3 dniach miały być utylizowane. Przedstawione publikacje doprowadziły do pierwszych globalnych rozważań na temat etyki modyfikowania embrionów i ludzkich komórek rozrodczych.

Naukowcy od dawna zastanawiają się nad bioetyczną stroną prowadzonych badań. Do niedawna o tym czy budzący kontrowersje eksperyment może zostać wykonany, decydowały regulacje wewnętrzne poszczególnych państw. Dla przykładu, badania modyfikacji ludzkich embrionów w USA nie są nielegalne jeżeli finansowane są przez prywatnego inwestora, z publicznych zaś pieniędzy takich badań się z zasady nie prowadzi. W Europie podobnych dylematów nie ma – praktycznie żaden ośrodek naukowy nawet nie planuje tego typu eksperymentów. Wyjątkiem może być grupa naukowców z Wielkiej Brytanii, która w 2016 roku otrzymała "licencję" od rządowej agencji (regulującej m.in. kwestie in vitro) na wykorzystanie żywych ludzkich embrionów w badaniach nad edytowaniem DNA w celu wykrycia przyczyny przedwczesnych poronień u kobiet. Warunkiem otrzymania zgody było wykonanie badań w okresie nie dłuższym niż 14 dni. Uzyskanie takiego zezwolenia może okazać się precedensem i dać szansę na planowanie podobnych eksperymentów w przyszłości.

W lutym 2017 roku prestiżowa instytucja Stanów Zjednoczonych - US National Academics of Science, Engineering, and Medicine - opublikowała raport, w którym stwierdziła że naukowcy powinni mieć prawo do badań dotyczących edytowania ludzkich zarodków (źródło: Nature:10.1038/nature.2017.21474). W dokumencie stwierdzono również, że ostatecznie akceptowalne może być użycie tej metody do modyfikacji zarodków przeznaczonych do implantacji (zagnieżdżenia zarodka w macicy), jeśli celem byłoby leczenie niszczącej choroby. W raporcie dodano, że na razie nie należy używać edycji genomu do „wzmocnienia” człowieka, np. polepszenia inteligencji danej osoby lub nadania jej innych, nieosiągalnych naturalnie możliwości. Raport składał się z 261 stron i przygotowany został na podstawie ustaleń rozmów podczas szczytu z 2015 roku na który zjechali się naukowcy, etycy i eksperci prawni z całego świata. Opublikowanie dokumentu oraz określenie formalnego stanowiska pozwoliło na prowadzenie badań genetycznych z wykorzystaniem metody edycji DNA na całym świecie. Pierwsze publikacje naukowe pojawiły się już kilka miesięcy później.

Na początku sierpnia 2017 roku naukowcy z USA wykorzystali metodę edycji DNA CRISPR/Cas na ludzkich embrionach w celu modyfikacji mutacji genu MYBPC3 (źródło: Nature 548,13–14():10.1038/nature.2017.22382). Mutacja ta powoduje, że mięśnie serca są "zagęszczane" - stan nazywany jest kardiomiopatią przerostową – w wyniku czego możliwe jest wystąpienie nagłych zgonów, już u młodych ludzi. Mutacja jest dominująca, co oznacza, że dziecko musi odziedziczyć tylko jedną kopię zmutowanego genu, aby doświadczyć jej skutków. W wyniku wykonanych badań naukowcy zaobserwowali naprawę mutacji genu MYBPC3 w 42/58 ludzkich zarodkach. Wyniki badań potwierdziły skuteczność metody CRISPR/Cas. Ku zaskoczeniu wszystkich, pod koniec sierpnia 2017 roku pojawiły się wątpliwości odnośnie opublikowanych badań (źródło: Nature:10.1038/nature.2017.22547). Inna grupa naukowców z USA twierdzi, że ich poprzednicy nie uzyskali poprawnych wyników edycji DNA, a swoje wątpliwości opisali w publikacji, która wkrótce ukaże się w czasopiśmie Nature.

Ewolucja zastosowania metody CRISPR/Cas wciąż trwa i z całą pewnością możemy spodziewać się nowych przełomowych wyników badań naukowych. Dotychczasowe osiągnięcia są wczesne i stanowią podstawę do dalszych badań, jednak już na tym etapie budzą dużo wątpliwości i wahań w środowisku nie tylko naukowym, ale wśród całego społeczeństwa.

Jeszcze niedawno ingerowanie w nasze DNA wydawało się być marzeniem. Dzisiaj już wiemy że jest to możliwe i że badania właśnie się rozpoczęły. Czy danie "zielonego światła" na tego typu badania to dobra decyzja?