Det kan høres ut som et frokostblandingsmerke, men CRISPR er en av de viktigste revolusjonene innen genetikk i løpet av vår levetid. De siste månedene har det dukket opp historier om forskere som bruker CRISPR-Cas-proteiner for effektivt å redigere de genetiske sekvensene av DNA, drepe HIV, spise Zika som Pac-man og lagre en GIF i DNA fra bakterier .
Til tross for CRISPRs potensial er det en utrolig kontroversiell prosedyre. Det krever at DNA-tråder kuttes og endres fullstendig for å endre en persons genetiske sammensetning, og to nye studier har knyttet slik genredigeringsteknologi til en økning i kreft.
Papirene, en etter Novartis og den andre av Karolinska Institute , publisert iNaturmedisin, konkluderer med at genterapiteknikker kan svekke en persons evne til å bekjempe svulster, og kan gi kreft, noe som kan gi bekymring for sikkerheten ved CRISPR-baserte genterapier.
La oss sikkerhetskopiere litt skjønt.
Se relaterte Hva er stamceller og hvordan kan de endre medisin? Menneskelig hodetransplantasjon: Kontroversiell prosedyre vellykket utført på lik; live prosedyre nært forestående
De to papirene fokuserte på genet p53. Tidligere undersøkelser har funnet at visse humane svulster ikke kan utvikles hvis p53-genet fungerer som det skal. Som et resultat fungerer p53 som en naturlig forsvarsmekanisme for å beskytte genomet fra den type endringer som er gjort av CRISPR-Cas9. Når CRISPR-Cas9 brukes til å redigere en persons genetiske sammensetning, hopper p53-genet til forsvar og dreper effektivt de redigerte cellene ved å få dem til å ødelegge seg selv. Faktisk er det dette genet som har forsinket fremdriften og effektiviteten til CRISPR-teknikken i en rekke forsøk.
I tilfeller der CRISPR-Cas9 har gjort redigeringer av en persons genom, antyder det imidlertid at den spesielle cellenes p53-gen er defekt eller dysfunksjonell. Dette kan igjen være knyttet til at kroppen i mindre grad er i stand til å bekjempe kreft. Spesielt kan en feilaktig p53 forårsakeceller vokser ukontrollert og blir kreft, og har vært knyttet til forekomster aveggstokkreft, tykktarm og endetarmskreft.
Ved å plukke celler som vellykket har reparert det skadede genet vi hadde tenkt å fikse, kan vi utilsiktet også plukke celler uten funksjonell p53, studieforfatter Emma Haapaniemi fra Karolinska Institute forklart . Hvis de blir transplantert til en pasient, som ved genterapi for arvelige sykdommer, kan slike celler gi kreft, noe som kan gi bekymring for sikkerheten til CRISPR-baserte genterapier.
Det skal imidlertid bemerkes at det å ha en kobling til kreft ikke er det samme som å forårsake kreft, og resultatene i disse to studiene er det som er kjent som foreløpig, noe som betyr at det er behov for ytterligere arbeid for å styrke eller avvise funnene. Forskerne er til og med raske til å ta avstand fra å si CRISPR er farlig. I stedet reiser de gyldige spørsmål og råder selskaper og forskere som stormer fremover med kliniske studier om å være oppmerksomme på lenken.
Studiene fokuserer også på en veldig spesiell type CRISPR redigeringsteknikk - Cas-9-proteinet som brukes til å korrigere sykt DNA ved å sette inn sunt, redigert DNA - og det er behov for ytterligere arbeid for å se om andre former for genredigering skaper lignende bekymringer. I et forsøk på å takle lignende tidligere kritikk rapporterte forskere fra Salk Institute nylig en løsning. I stedet for å redigere gener, vil deres såkalte epigenetiske (eller over genet) CRISPR-metoden se gener slått på eller av, i stedet for å bli kuttet.
Ved å modifisere epigenomet, var forskere i stand til å kontrollere et gens oppførsel uten å modifisere noe DNA direkte; genmodifisering snarere enn genredigering. I studier på mus reverserte forskerne symptomer på nyresykdom, type 1 diabetes og en form for muskeldystrofi. Det har også potensial for å utrydde Alzheimers.
Hva er CRISPR-Cas9?
CRISPR-Cas9 er et genomredigeringsverktøy som er i stand til å kutte DNA på en målrettet måte, slik at forskere kan redigere livets byggesteiner nøyaktig. Du vil sannsynligvis se det nevnt ved siden av den litt mindre berømte duoen CRISPR-Cas1 og CRISPR-Cas2 - som begge spleiser kutt DNA-biter i bakteriens eget genom (mer om det senere).
Cas9 ble faktisk først observert på 1980-tallet som en del av encellede bakteriers forsvarsmekanismer, som sikrer at cellene er i stand til å fjerne uønskede inntrengere. Forskere har funnet ut at de, ved å tilpasse teknologien, er i stand til å målrette genom-sekvenser med enestående hastighet, presisjon og nøyaktighet.
Se for CRISPR-Cas9 som et søk og erstatt søk i et datadokument, bare i stedet for ord redigerer du genetiske sekvenser.Nøyaktig modifisering av DNA er en vitenskapelig hellig gral, og potensialet er enormt. Den kan brukes til å utrydde sykdommer - til og med arvelige sykdommer som cystisk fibrose, sigdcelleanemi og Huntingtons kunne bli en saga blott.
Navnet CRISPR er et akronym for de mindre fengende klyngede, regelmessig innbyrdes korte palindromiske repetisjonene. Cas-delen refererer til tilknyttet CRISPR.
CRISPR-Cas9: Hvordan fungerer det?
CRISPR er en del av visse bakteriers naturlig forekommende forsvar. Når en bakterie oppdager et invaderende virus, er den i stand til å kopiere og blande segmenter av fremmed DNA til sitt eget genom rundt CRISPR. Cas9 klipper, mens Cas1 og Cas2 setter inn det ytre DNA i cellens genom.
windows 10 hvordan du slår på Bluetooth
Neste gang viruset blir oppdaget, har CRISPR en nøyaktig kopi av genomssekvensen å se etter, det er der Cas-proteinet kommer inn: det kan kutte DNA opp og deaktivere uønskede gener med utrolig nøyaktighet.
Eller, som Carl Zimmer forklarer : Når CRISPR-regionen fylles med virus-DNA, blir det et molekylært mest ønsket galleri, som representerer fiendene mikroben har møtt. Mikroben kan da bruke dette virale DNAet til å gjøre Cas-enzymer til presisjonsstyrte våpen. Mikroben kopierer det genetiske materialet i hvert avstandsstykke til et RNA-molekyl. Cas-enzymer tar deretter opp et av RNA-molekylene og holder det. Sammen driver virus-RNA og Cas-enzymer gjennom cellen. Hvis de støter på genetisk materiale fra et virus som samsvarer med CRISPR RNA, låses RNA tett. Cas-enzymene hugger deretter DNA i to, og forhindrer at viruset replikeres.
I 2012 publiserte forskere fra University of California, Berkeley, en banebrytende papir viser at de var i stand til å omprogrammere CRISPR-Cas immunforsvaret for å redigere gener etter eget ønske. CRISPR-Cas9 bruker et spesifikt Cas-protein og et hybrid-RNA som kan identifisere og redigere enhver gensekvens. Mulighetene er enorme.
Kort fortalt viser CRISPR DNA-sekvensene som skal målrettes, og deretter klipper Cas9. Forskere trenger bare å programmere CRISPR med riktig kode, og Cas9 gjør resten.
Dette kan også gjelde for defekte gener - seksjoner som for øyeblikket forårsaker problemer, kan fjernes med CRISPR-Cas9, og deretter erstattes med sunn genetisk kode, som teoretisk løser problemet.
CRISPR-Cas9: Har den blitt brukt på mennesker?
Ja, i Kina . Ved å bruke menneskelige embryoer hentet fra en fruktbarhetsklinikk forsøkte forskere å bruke CRISPR-Cas9 for å redigere et gen som forårsaker beta-thalassemi i hver celle. Det skal bemerkes at donorembryoene som ble brukt var ikke levedyktige, og kunne ikke ha resultert i en levende fødsel.
I alle fall mislyktes det, og sviktet ganske dårlig: 86 embryoer ble injisert, og etter 48 timer og rundt åtte celler vokste, overlevde 71, og 54 av disse ble genetisk testet. Bare 28 hadde blitt spleiset, og svært få inneholdt det genetiske materialet forskerne hadde til hensikt.Hvis du vil gjøre det i normale embryoer, må du være nær 100%, lederforsker Fortalte Jungiu HuangNatur . Derfor stoppet vi. Vi synes fortsatt det er for umoden.
På toppen av det er det ekstremt sannsynlig at det ble gjort mer udokumenterte skader. Som den New York Times forklarer :De kinesiske forskerne påpekte at i redigering av genet nesten sikkert forårsaket mer omfattende skade enn de dokumenterte; de undersøkte ikke hele genomene til embryocellene.
Som du kanskje forestiller deg, forårsaket det enormt mye kontrovers i det vitenskapelige samfunnet.
I november 2016 ble en annen gruppe kinesiske forskere den første til å bruke CRISPR-Cas9 på et voksent menneske, og injiserte en pasientens immunceller modifisert av CRISPR for å deaktivere PD-1-proteinet, noe som teoretisk fikk pasientens kropp til å slå tilbake mot kreften. .
Så, i en studere publisert 3. august, redigerte forskere med suksess menneskelige embryoer og fjernet det defekte segmentet av DNA som kan føre til arvelig hjertesykdom. Det var en milepælsoppnåelse og ga muligheter for potensielt å forhindre rundt 10 000 genetiske forstyrrelser med en enkelt mutasjon (dvs. sykdommer forårsaket av et enkelt defekt gen) hos fremtidige mennesker.
CRISPR-Cas9 og etikk
Selv om de kinesiske forskerne brukte embryoer som ikke skulle utvikle seg til liv, er det reelle etiske bekymringer om å eksperimentere på menneskelige embryoer - faktisk bare en måned før den kinesiske forskningen ble publisert, en gruppe amerikanske forskere oppfordret verden til ikke å gjøre det .
En del av dette kommer ned på hvor umoden teknologien er - husk at den bare har vært i aktiv bruk siden 2012, og det ville være forbløffende hvis den var fullt modnet på dette tidspunktet. Forskere advarte om at det var for misforstått og farlig å bruke på mennesker på dette tidspunktet, og den kinesiske forskningen bekrefter absolutt denne bekymringen. Selv om det fungerte feilfritt, er det bekymringer for at uforutsette konsekvenser kan oppstå over generasjoner.
Men selv om det var 100% trygt og vellykket, er det andre etiske bekymringer: mens ingen argumenterer for at vi skal holde potensialet i å utslette drapsmannegenetiske sykdommer som Huntingtons og cystisk fibrose, gir CRISPR-Cas9 potensielt muligheten til å endre seg noe om en person. Så lenge den genetiske sekvensen er identifisert, kan den i teorien redigeres.
Det er en ting å fjerne livsvirkende sykdommer før fødselen - det er en helt annen for foreldre å kunne designe babyene sine for å være sterkere, raskere eller bedre. Selv om du aksepterer at dette er noe folk skal få lov til å gjøre, er sjansen stor for at dette vil bli kommersialisert tungt, og sikre at bare de rike har råd til alle de ekstra livsfordelene dette vil ha, og som påvirker ulikheten massivt.
CRISPR-Cas9: Hva har blitt gjort så langt?
Selvfølgelig er disse etiske spørsmålene en million miles unna da det eneste registrerte embryonale menneskelige eksperimentet forårsaket et så høyt profilert tilbakeslag. Imidlertid viser CRISPR-Cas9 nå ekstremt lovende resultater i mindre tester.
Eksempler inkluderer Forebygging av HIV-infeksjon i humane celler , herding av genetiske musesykdommer og et par aper født med målrettede mutasjoner .
CRISPR dukker også opp som et effektivt middel for å lagre data i DNA. I mars 2017 publiserte et par forskere ved New York Genome Center en rapport i Vitenskap journal, som beskriver metoder for lagring av komprimerte filer i DNA-molekyler. Ved hjelp av en algoritme for å oversette filene til en binær kode som kan kartlegges på DNAs nukleotidbaser, var forskerne i stand til å kode totalt seks filer: et akademisk papir fra 1948, en Pioneer-plakett, et operativsystem, en virus, 1895-filmenAnkomst av tog til La Ciotat stasjon... og et gavekort på $ 50 fra Amazon.
Noen måneder senere, et team av forskere ved Harvard Medical School kodet et looping-videoklipp inn i DNAet til en levende E.Coli-bakteriecelle . Målet er å utvikle et system for å lagemolekylære opptakere - DNA som er i stand til å registrere sin egen informasjon fra omgivelsene. Dette kan brukes i alt fra å overvåke jordforurensning, til å revolusjonere vår forståelse av nevrologisk aktivitet.
Som en del av DARPAs Safe Genes-program inkluderer de syv teamene enteam ledet av Dr. Amit Choudhary ved Harvard Medical School som utvikler måter å kontrollere malariaspredende mygg, et andre Harvard Medical School-team som ønsker å bruke CRISPR til å oppdage og reversere mutasjoner forårsaket av stråling. Et North Carolina State University-team ledet av Dr. John Godwin har som mål å målrette gendrivsystemer hos rotter for å håndtere invasive arter, mens University of California, Berkeley ønsker å bruke CRISPR for å målrette Zika- og Ebola-virus. Den komplette listen over prosjekter og teamdetaljer er tilgjengelig fra DARPAs nettsted.
Mer nylig delte strukturbiolog Osamu Nureki fra University of Tokyo utrolige opptak av CRISPR redigering av DNA i sanntid, som utgjorde en del av teamets nylige artikkel, publisert i tidsskriftet Naturkommunikasjon . Klippet nedenfor viser CRISPR-søkende DNA før du redigerer det. Du kan se en DNA-streng kobles fra.
Opptakene ble opprinnelig vist til deltakerne i CRISPR 2017 konferanse som fant sted i juni. Oppgaven ble levert etter denne konferansen og ble publisert 10. november.
CRISPR-Cas9: Kommer det til Storbritannia?
Ja. Stamcelleforskere i Storbritannia søkte tillatelse å modifisere menneskelige embryoer i et forsøk på å forstå tidlig menneskelig utvikling, og redusere sannsynligheten for spontanabort. I februar 2016 ble detHuman Fertilization and Embryology Authority (HFEA) ga tillatelse.
CRISPR-Cas9: Hvorfor er CRISPR dårlig?
Som nevnt tidligere kan Cas9 bare gjenkjenne genetiske sekvenser på rundt 20 baser, noe som betyr at lengre sekvenser ikke kan målrettes.Mer signifikant, kutter enzymet noen ganger på feil sted. Å finne ut hvorfor dette er, vil være et betydelig gjennombrudd i seg selv - å fikse det vil bli enda større.
Så er det selvfølgelig problemet at CRISPR ikke fungerte veldig bra i menneskelige embryoer, og dens nyere koblinger til kreft.
CRISPR-Cas9: Hvem eier det?
Det er ikke et enkelt spørsmål å svare på. Det er gjenstand for en pågående patentkamp - overraskende gitt CRISPR naturlig forekomst i visse bakterier.
Teknologianmeldelseforklarer det, selv om CRISPR-Cas9 først ble beskrevet iVitenskapi 2012 av Jennifer Doudna fra UC Berkeley, vant Feng Zhang fra Broad Institute patent på teknikken ved å sende inn laboratoriebøker som beviser at han hadde oppfunnet den først.
Først for å arkivere patentrettigheter betyr at dette skal gis til Doudna, men avgjørelsen kunne vært avgjort basert på først å oppfinne regler, som ville ha favorisert Zhang. Til slutt, saken ble løst i februar 2017 , da US Patent Trial and Appeal Board vedtok at UC Berkeley skulle få patent på bruk av CRISPR-Cas9 i en hvilken som helst levende celle, mens Broad ville få det i en hvilken som helst eukaryot celle - det vil si celler i planter og dyr.
Bilder: Petra B Fritz , VeeDunn , NIH bildegalleri , og Steve Jurvetson brukt under Creative Commons
