211service.com
Genom kirurgi
Præcise og nemme måder at omskrive menneskelige gener på kunne endelig give de værktøjer, som forskere har brug for til at forstå og helbrede nogle af vores mest dødelige genetiske sygdomme. 11. februar 2014
I løbet af det sidste årti, da DNA-sekventeringsteknologien er vokset stadig hurtigere og billigere, er vores forståelse af det menneskelige genom steget tilsvarende. Alligevel har videnskabsmænd indtil for nylig forblev stort set ham-fisted, når de har forsøgt at direkte modificere gener i en levende celle. Tag for eksempel seglcelleanæmi. En invaliderende og ofte dødelig sygdom, den er forårsaget af en mutation i blot et af en patients tre milliarder DNA-basepar. Selvom denne genetiske fejl er enkel og velundersøgt, er forskerne hjælpeløse til at rette op på den og standse dens ødelæggende virkninger.
Nu er der håb i form af nye genom-tekniske værktøjer, især et kaldet CRISPR. Denne teknologi kan give forskere mulighed for at udføre mikrokirurgi på gener, præcist og nemt ændre en DNA-sekvens på nøjagtige steder på et kromosom. Sammen med en teknik kaldet TALENs, der blev opfundet for flere år siden, og en lidt ældre forgænger baseret på molekyler kaldet zinkfinger-nukleaser, kunne CRISPR gøre genterapier mere bredt anvendelige og give midler mod simple genetiske lidelser som seglcelleanæmi og i sidste ende endda føre til kur mod mere komplekse sygdomme, der involverer flere gener. De fleste konventionelle genterapier placerer groft nyt genetisk materiale et tilfældigt sted i cellen og kan kun tilføje et gen. I modsætning hertil giver CRISPR og de andre nye værktøjer også videnskabsmænd en præcis måde at slette og redigere specifikke bits af DNA - selv ved at ændre et enkelt basepar. Det betyder, at de kan omskrive det menneskelige genom efter behag.
Denne historie var en del af vores marts 2014-udgave
- Se resten af problemet
- Abonner
Det vil sandsynligvis vare mindst flere år, før en sådan indsats kan udvikles til human terapi, men et voksende antal akademiske forskere har set en vis foreløbig succes med eksperimenter, der involverer seglcelleanæmi, HIV og cystisk fibrose (se tabellen nedenfor). Den ene er Gang Bao, en bioingeniørforsker ved Georgia Institute of Technology, som allerede har brugt CRISPR til at korrigere seglcellemutationen i menneskeceller dyrket i en skål. Bao og hans team startede arbejdet i 2008 ved at bruge zinkfingernukleaser. Da TALENs kom ud, skiftede hans gruppe hurtigt, siger Bao, og så begyndte den at bruge CRISPR, da det værktøj blev tilgængeligt. Mens han har ambitioner om til sidst at arbejde på en række forskellige sygdomme, siger Bao, at det giver mening at starte med seglcelleanæmi. Hvis vi vælger en sygdom til behandling ved hjælp af genomredigering, bør vi starte med noget relativt simpelt, siger han. En sygdom forårsaget af en enkelt mutation i et enkelt gen, der kun involverer en enkelt celletype.
Bao har en idé om, hvordan en sådan behandling ville fungere. I øjeblikket er læger i stand til at helbrede en lille procentdel af seglcellepatienter ved at finde en menneskelig donor, hvis knoglemarv er et immunologisk match; kirurger kan derefter erstatte nogle af patientens knoglemarvsstamceller med donerede. Men sådanne donorer skal matches præcist med patienten, og selv da er immunafstødning - et potentielt dødeligt problem - en alvorlig risiko. Baos kur ville undgå alt dette. Efter at have høstet blodcelleprækursorer kaldet hæmatopoietiske stamceller fra knoglemarven på en seglcellepatient, ville forskerne bruge CRISPR til at rette op på det defekte gen. Derefter ville de genkorrigerede stamceller blive returneret til patienten og producere sunde røde blodlegemer til at erstatte seglcellerne. Selvom vi kan erstatte 50 procent, vil en patient have det meget bedre, siger Bao. Hvis vi erstatter 70 procent, bliver patienten helbredt.
Selvom genomredigering med CRISPR kun er lidt over et år gammel, genopfinder den allerede genetisk forskning. Det giver især forskerne mulighed for hurtigt og samtidigt at foretage flere genetiske ændringer i en celle. Mange menneskelige sygdomme, herunder hjertesygdomme, diabetes og diverse neurologiske tilstande, er påvirket af adskillige varianter i både sygdomsgener og normale gener. At drille denne kompleksitet ud med dyremodeller har været en langsom og kedelig proces. For mange spørgsmål inden for biologi vil vi gerne vide, hvordan forskellige gener interagerer, og til dette er vi nødt til at introducere mutationer i flere gener, siger Rudolf Jaenisch, biolog ved Whitehead Institute i Cambridge Massachusetts. Men, siger Jaenisch, at bruge konventionelle værktøjer til at skabe en mus med en enkelt mutation kan tage op til et år. Hvis en videnskabsmand ønsker et dyr med flere mutationer, skal de genetiske ændringer foretages sekventielt, og tidslinjen for et forsøg kan strække sig over år. I modsætning hertil rapporterede Jaenisch og hans kolleger, inklusive MIT-forsker Feng Zhang (et 2013-medlem af vores liste over 35 innovatører under 35), sidste forår, at CRISPR havde tilladt dem at skabe en musestamme med flere mutationer på tre uger.
Fordi et CRISPR-system nemt kan designes til at målrette ethvert specifikt gen, giver teknologien forskere mulighed for at lave eksperimenter, der undersøger et stort antal af dem. I december oprettede hold ledet af Zhang og MIT-forsker Eric Lander biblioteker af CRISPR'er, som hver er rettet mod et andet menneskeligt gen. Disse enorme samlinger, som tegner sig for næsten alle de menneskelige gener, er blevet gjort tilgængelige for andre forskere. Bibliotekerne lover at fremskynde genom-dækkende undersøgelser af genetik af kræft og mange andre menneskelige sygdomme.
Genom GPS
Den bioteknologiske industri blev født i 1973, da Herbert Boyer og Stanley Cohen indsatte fremmed DNA, som de havde manipuleret i laboratoriet til bakterier. Inden for få år havde Boyer været med til at stifte Genentech, og virksomheden var begyndt at bruge E coli modificeret med et humant gen til fremstilling af insulin til diabetikere. I 1974, Jaenisch , dengang ved Salk Institute for Biological Studies i San Diego, skabte den første transgene mus ved at bruge vira til at spike dyrets genom med en smule DNA fra en anden art. I disse og andre tidlige eksempler på genteknologi var forskerne dog begrænset til teknikker, der indsatte det fremmede DNA i cellen tilfældigt. Det eneste, de kunne gøre, var at håbe på det bedste.
Det tog mere end to årtier, før molekylærbiologer blev dygtige til effektivt at ændre specifikke gener i dyregenomer. Dana Carroll fra University of Utah erkendte, at zinkfingernukleaser, konstruerede proteiner rapporteret af kolleger ved Johns Hopkins University i 1996, kunne bruges som et programmerbart genmålretningsværktøj. Den ene ende af proteinet kan designes til at genkende en bestemt DNA-sekvens; den anden ende skærer DNA. Når en celle så naturligt reparerer disse snit, kan den lappe sit genom ved at kopiere fra tilført fremmed DNA. Mens teknologien endelig gjorde det muligt for videnskabsmænd at foretage ændringer, hvor de vil på et kromosom, er det svært at bruge. Hver modifikation kræver, at forskeren konstruerer et nyt protein, der er skræddersyet til den målrettede sekvens - en vanskelig, tidskrævende opgave, der, fordi proteinerne er kræsne, ikke altid virker.
TALEN'er, et andet væsentligt fremskridt inden for genredigering, kom i 2010. TALEN'er er også proteiner, der finder og skærer en ønsket DNA-sekvens - men det er meget nemmere at skræddersy dem til nye genmål. Selvom de repræsenterede en stor forbedring i forhold til zinkfingre, er TALEN'er imidlertid store proteiner, som er besværlige at arbejde med og levere til celler.
CRISPR ændrede alt. Det erstatter de DNA-målrettede proteiner med en kort smule RNA, der huser de ønskede gener. I modsætning til de komplekse proteiner, kan RNA - som har næsten den samme enkle struktur som DNA - laves rutinemæssigt i laboratoriet; en tekniker kan hurtigt syntetisere de omkring 20 bogstaver lange sekvenser, som metoden kræver. Systemet gør det nemt for medicinske forskere at ændre et genom ved at erstatte, slette eller tilføje DNA.
På lidt mere end et år er CRISPR begyndt at genopfinde genetisk forskning.
CRISPR står for clustered regular interspaced short palindromic repeats - klynger af korte DNA-sekvenser, der læses på samme måde fremad og bagud, som findes i mange typer bakterier. Forskere observerede først de forvirrende DNA-segmenter i 1980'erne, men forstod ikke i næsten to årtier, at de er en del af et bakterielt forsvarssystem. Når en virus angriber, kan bakterier inkorporere sekvenser af viralt DNA i deres eget genetiske materiale og klemme dem mellem de gentagne segmenter. Næste gang bakterierne støder på den virus, bruger de DNA'et i disse klynger til at lave RNA'er, der genkender de matchende virale sekvenser. Et protein knyttet til et af disse RNA'er skærer derefter det virale DNA op.
I 2012, Emmanuelle Charpentier, en medicinsk mikrobiolog, der studerer patogener ved Helmholtz Center for Infection Research, og Jennifer Doudna , en samarbejdspartner ved University of California, Berkeley, viste, at de kunne bruge et enkelt RNA sammen med det skærende protein, et enzym kaldet Cas9, til at skære enhver ønsket sekvens af DNA i reagensglas. Det var stadig usikkert, om metoden ville virke i dyreceller, men i januar 2013 kom et dramatisk gennembrud. Zhang og George Church, en genetiker ved Harvard Medical School, rapporterede hver for sig, at CRISPR/Cas9-systemet kunne bruges til genredigering i dyrs celler, inklusive mennesker.
Nu behøver en forsker, der ønsker at gå efter et nyt gen, kun syntetisere Cas9-proteinet og en smule RNA, der matcher sekvenserne i den målrettede region. RNA'et leder derefter enzymet til det DNA, forskeren vil skære. Og fordi det samme skæreprotein bruges uanset målet, kan forskere designe eksperimenter, hvor de ændrer flere gener i en organisme samtidigt ved hjælp af Cas9 og flere RNA-guider. Det giver mulighed for at lave eksperimenter, der tidligere var meget vanskelige eller i det væsentlige ikke mulige, siger Doudna.
Komplekse mysterier
MITs Zhang, som er medlem af Broad Institute og McGovern Institute for Brain Research, er interesseret i genetikken bag psykisk sygdom. For at forsøge at forstå disse komplekse forhold har Zhang hjulpet med at udvikle flere gen- og neuronmodificerende værktøjer, herunder TALEN'er og optogenetik, en teknik, der involverer styring af neuronaktivitet med laserlys. Da han første gang hørte om CRISPR i 2011, begyndte han at konstruere det til brug i menneskelige celler. Nu bruger han CRISPR til at hjælpe med at afsløre de genetiske hemmeligheder bag så ødelæggende og dårligt forståede tilstande som skizofreni og autisme.
Værktøjet gør det muligt for Zhang at begynde systematisk at teste nogle af de DNA-varianter, der er blevet forbundet med sygdommene. Mens der er sket store fremskridt i løbet af det sidste årti i retning af at identificere gener, der er almindelige hos mennesker med disse tilstande, er det en skræmmende udfordring at forstå, hvordan disse gener relaterer sig til symptomerne. Det, du lærer af sekventering, er kun en observation, siger Zhang: For at forstå, om et formodet gen faktisk forårsager tilstanden, skal du introducere den specifikke mutation i raske celler eller organismer og se, hvad der går galt. Hvis den muterede celle eller organisme har funktioner, der efterligner den menneskelige sygdom, er det beviser, der implicerer genet.
Zhang kan genskabe, i både laboratoriemus og dyrkede humane celler, genetiske varianter fundet hos mennesker med autisme og skizofreni. Du kan sætte en menneskelig mutation ind i det tilsvarende gen i et forsøgsdyr og så se: bliver det dyr mindre socialt eller har et indlæringsunderskud? han siger. Derefter, tilføjer han, kan du studere forskelle i adfærd og fysiologi af laboratoriedyrkede neuroner dyrket fra stamceller, der er blevet modificeret med den samme mutation. Med enkelt-gen-mutationer vil vi begynde at se aspekter af den biologiske funktion, der er involveret i autisme, siger han.
Zhang bruger også CRISPR til at lave flere genetiske ændringer på én gang. Det bliver især vigtigt med komplekse sygdomme som autisme og skizofreni, som for det meste ikke er forårsaget af den type enkelt DNA-ændring, der ligger bag seglcelleanæmi. Forskellige patienter påvirkes af forskellige samlinger af mutationer. At løse et puslespil af så enorm kompleksitet vil kræve store, systematiske undersøgelser af virkningerne af forskellige gener og den måde, de interagerer på. CRISPR gør sådanne undersøgelser mulige, siger Zhang, og vil være vigtige for at finde behandlinger for en række komplekse sygdomme. Vi vil forstå mere om veje og sygdomsmekanismer, siger han. Denne viden vil informere alle former for lægemiddeludvikling.
Designer babyer
I slutningen af sidste år grundlagde Doudna, Zhang, Church og to andre pionerer inden for genomredigering en startup, der vil udvikle nye behandlinger for menneskelige genetiske sygdomme. I november måned, Medicin udstedt , meddelte, at det havde rejst 43 millioner dollars i risikovillig kapital og sagde, at det planlægger at bruge genom-redigeringsteknologier mod en bred vifte af sygdomme.
Lanceringen af Editas skulle drage fordel af en genopblussen af interessen for genterapi takket være mange års teknologiske forbedringer, herunder sikrere mekanismer til levering af behandling. Landskabet har ændret sig for genterapi, siger Church. (Der er stadig ingen genterapi godkendt i USA, selvom en række er i forsøg på mennesker.) Men han siger, at de terapier, som Editas vil udvikle, vil være fundamentalt forskellige fra de ældre metoder, der bruger en virus til at indsætte et gen i celler.
Måske kunne videnskabsmænd omskrive normale gener, så mennesker bedre kunne bekæmpe infektioner.
At lave en ændring eller en sletning er uden for rækkevidde for de fleste af disse simple virale metoder, siger Church. Og at slette en smule DNA i stedet for at tilføje et gen, kan faktisk være nøglen til at behandle mange sygdomme. Tag Huntingtons sygdom. Den dødelige hjernetilstand opstår som følge af en ophobning af et giftigt protein i neuroner. Tilføjelse af en sund kopi af genet til cellen ville ikke påvirke det proteins giftige aktivitet: den originale dysfunktionelle version skal omskrives. Med de nye genom-redigeringsværktøjer, siger Church, kan det være muligt at omskrive det defekte DNA: Du er ikke begrænset til at tilføje noget tilbage, der mangler. Og, tilføjer han, når man begynder at indse, at de mest almindelige versioner af gener ikke nødvendigvis er de ideelle versioner, så indser man, at dette er et meget større felt. Måske kunne forskerne omskrive normale gener, så mennesker bedre kan bekæmpe infektionssygdomme. De kan endda være i stand til at ryste op i de molekylære veje, der er involveret i aldring.
Kirken forudser også, at hvis genomredigering bruges til at helbrede børnesygdomme, vil nogle videnskabsmænd blive fristet til at bruge det til at konstruere embryoner under in vitro-befrugtning. Forskere har allerede vist, at genomredigering kan omskrive DNA-sekvenser i rotte- og museembryoner, og i slutningen af januar rapporterede forskere i Kina, at de havde skabt genetisk modificerede aber ved hjælp af CRISPR. Med sådanne teknikker kan en persons genom redigeres før fødslen - eller, hvis der blev foretaget ændringer i æggene eller sædproducerende celler hos en kommende forælder, selv før undfangelsen.
Disse muligheder rejser etiske spørgsmål. Men hvis forskere beviser, at de sikkert kan korrigere sygdomme ved at redigere genomet, er det uundgåeligt, at nogle forældre også ønsker at ændre genomet af sunde embryoner. Hvis man kan forebygge mental retardering med genterapi, forudsat at det er tilladt, så er der et helt spektrum af intellektuelle udfordringer, der vil blive diskuteret, siger Church.
Sådanne diskussioner vil sandsynligvis varme op, efterhånden som CRISPR bliver mere udbredt. Indtil videre udvikler teknologien sig dog stadig: Mens forskere som Bao, Church og Zhang i sidste ende håber på at helbrede nogle af vores mest vanskelige sygdomme, bruges meget af deres tid stadig på blot at finjustere værktøjet og udforske dets muligheder. Men selv i disse tidlige dage har CRISPR allerede transformeret, hvordan disse forskere tænker på at manipulere genomet. De er ikke længere.