CRISPR/Cas9: nástroj na úpravu DNA ocenený Nobelovou cenou

Vôbec po prvý-krát v histórii boli tento rok ocenené Nobelovou cenou za chémiu dve ženy – americká vedkyňa Jennifer Doudna, profesorka na Kalifornskej univerzite v meste Berkeley a francúzska vedkyňa Emmanuelle Charpentier, profesorka, genetička, mikrobiologička a riaditeľka ústavu Maxa Plancka pre infekčnú biológiu.

CRISPR/Cas9: nástroj na úpravu DNA ocenený Nobelovou cenou

RNDr. Igor Šťastný

 

Vôbec po prvý-krát v histórii boli tento rok ocenené Nobelovou cenou za chémiu dve ženy – americká vedkyňa Jennifer Doudna, profesorka na Kalifornskej univerzite v meste Berkeley a francúzska vedkyňa Emmanuelle Charpentier, profesorka, genetička, mikrobiologička a riaditeľka ústavu Maxa Plancka pre infekčnú biológiu.

Spoločne objavili metódu na cielenú úpravu genetickej informácie (DNA) v rastlinných, živočíšnych, ako aj v ľudských bunkách. Hlavným zameraním výskumu oboch vedkýň bol imunitný systém baktérií (baktéria je jednobunkový organizmus, ktorý je pôvodcom mnohých infekčných ochorení ako napr. salmonelóza, čierny kašeľ a i.) a ich odpoveď na vírusovú infekciu. V dôsledku toho vznikla spolupráca, ktorej výsledkom bol objav takzvaných “genetických nožníc“ – systému CRISPR/Cas9 a jeho využití pri úprave DNA. Prvá zmienka o tejto technológii bola publikovaná v časopise Science v roku 2012.

Tieto genetické nožnice sa prirodzene vyskytujú v baktériách, v ktorých zabezpečujú imunitnú odpoveď voči vírusom (vírusy sú častice, ktoré rovnako ako baktérie vyvolávajú rôzne ochorenia ako napríklad COVID19 a HIV).

Baktéria si mechanizmom CRISPR/Cas9 zachytáva úlomky DNA vírusu, ktorý ju napadol a následne si vo vlastnej DNA vytvorí tzv. CRISPR úseky (segmenty, obrázok 1). Vďaka týmto segmentom si je baktéria schopná daný vírus (alebo jemu podobný vírus) zapamätať a v prípade opätovného napadnutia ho vie ľahšie a rýchlejšie zlikvidovať.

Pre tento účel si vytvára komplexy zložené z krátkych molekúl RNA (označených ako crRNA), slúžiacich na rozpoznanie vírusovej DNA a proteínov Cas, ktorých úlohou je vírusovú DNA odstrániť. RNA vzniká v bunkách z DNA a je prítomná pri viacerých bunkových procesoch (napríklad pri tvorbe proteínov).

Obrázok 1. Mechanizmus pôsobenia CRISPR/Cas9 v bakteriálnej bunke 1. Akvizícia – systém CRISPR-Cas9
uchováva krátke časti DNA pochádzajúcej z vírusov, s ktorými sa stretol. 2. Expresia – pri ktorej je finálnym
krokom tvorba spomínaných crRNA. 3. Interferencia – crRNA je využitá ako vodiaca sekvencia pre proteíny
Cas, ktorá pri opätovnej infekcii rozpozná vírusovú DNA a umožní týmto proteínom danú DNA odstrániť.

Využitie technológie CRISPR-Cas9 v praxi

Prvé dôkazy o cielenom zničení DNA pomocou proteínu Cas9 rovnako, ako aj jeho schopnosti vykonávať zmeny v genóme (DNA) ľudských buniek spustili prudký rozmach výskumu v oblasti génového inžinierstva so zameraním na CRISPR-Cas9, ako potencionálneho nástroja pre úpravu ľudskej DNA.

Veľkou výhodou tohto systému v porovnaní s inými molekulárnymi technikami sú najmä nízke náklady a jednoduché prevedenie. Princíp úpravy DNA spočíva v príprave krátkej RNA (označenej aj ako gRNA) tak, aby dokázala rozpoznať nami zvolenú cieľovú časť (sekvenciu) v ľudskej DNA, ktorá je následne odstránená pomocou proteínu Cas9 (obrázok 2).

Obrázok 2. Rozpoznanie cieľovej sekvencie DNA pomocou gRNA a proteínu Cas9.

Počiatočné klinické skúšky testovali schopnosť úpravy genómu systémom CRISPR-Cas9 na bunkách, ktoré boli odobraté z pacienta a po úprave vybraných častí DNA vstreknuté späť do tela.

Prvýkrát bola génová terapia s využitím CRISPR-Cas9 testovaná priamo v tele pacienta s genetickou mutáciou CEP290 spôsobujúcou dedičnú poruchu zraku. Liečba je súčasťou klinickej štúdie, ktorá sleduje schopnosť systému CRISPR-Cas9 efektívne odstrániť mutácie spôsobujúce Leberovu kongenitálnu amaurózu 10 (LCA10), na ktorú v súčasnosti neexistuje efektívna liečba.

Etický konflikt

V roku 2018 sa čínsky lekár He Jiankui spolu s dvoma ďalšími kolegami rozhodli geneticky upraviť DNA ľudských embryí, čo vyvolalo právny a etický rozruch. He Jiankui pôsobiaci na Univerzite SUSTech (Southern University of Science and Technology) v Číne zahájil projekt na pomoc ľuďom, ktorí majú problémy s plodnosťou – konkrétne párom, kde otec je HIV pozitívny a matka HIV negatívna.

DNA embryí – konkrétne gén CCR5 bol upravený využitím technológie CRISPR-Cas9 s cieľom vyvolať kompletnú rezistenciu na vírus HIV. Prvé dve deti sa narodili v októbri 2018 a tretie v roku 2019. Lekár oznámil, že všetky deti sa narodili zdravé. Výskum sa však stretol s masívnou kritikou a následným suspendovaním celého výskumu. He Jiankui bol zatknutý a obvinený z falšovania dokumentov a neetického správania.

Výzvy do budúcnosti

Pokrok od počiatočného objavu a charakterizácie CRISPR-Cas9 systému, až po jeho vývoj v sofistikovaný, presný a všestranný nástroj pre efektívnu úpravu ľudskej DNA prešiel veľmi rýchlym tempom. Tento nástroj pozitívne ovplyvnil viaceré vedecké i medicínske smery.

Za menej ako osem rokov boli vyvinuté precízne mechanizmy (akým je napríklad CRISPR- Cas9), ktoré ľudstvo priblížili k možnosti vykonať akékoľvek zmeny v DNA ľudských buniek bez rizika vedľajších účinkov.

Využitie CRISPR/Cas9 v klinickej sfére však zahŕňa viacero prekážok súvisiacich s bezpečnosťou a efektívnosťou liečebných postupov založených na tejto technológii. V dôsledku toho bude pre budúcnosť dôležitá optimalizácia možností úpravy ľudskej DNA, porozumieť dôsledkom editovania nášho genómu ako aj inovovať nové spôsoby dodávania kľúčových molekúl (ako napr. proteín Cas9) do buniek. Dôležité bude aj zapojenie lekárov, vedcov a ďalších zainteresovaných strán do tejto problematiky v dôsledku toho, aby boli tak dôležité objavy ako je CRISPR-Cas9 využité v prospech spoločnosti (napríklad na liečbu dedičných ochorení).

Zdroje
1. https://www.nature.com/articles/d41586-020-00655-8
2. https://science.sciencemag.org/content/337/6096/816.full
3. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2020/summary/
4. https://www.sciencemag.org/news/2020/10/crispr-revolutionary-genetic-scissors-honored-chemistry-nobel?fbclid=IwAR22R5Q__WF0oWdVWbtDm8jR2eY4h05S_3pAczjvDJ1fIswMaj3-Y6mZSlo
5. https://science.sciencemag.org/content/346/6213/1258096.abstract
6. https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/10717544.2018.1474964
7. https://www.sciencemag.org/news/2019/08/untold-story-circle-trust-behind-world-s-first-gene-edited-babies
8. https://link.springer.com/article/10.1007/s13353-019-00535-6
9. http://biochimej.univ-angers.fr/Page2/COURS/Zsuite/6BiochMetabSUITE/4CRISPR/1CRISPR.htm
10. https://ziva.avcr.cz/ceka-nas-nastup-genove-terapie-aneb-homo-sapiens-gmo.html
11. https://academic.oup.com/cardiovascres/article/115/2/e12/5298391https://www.alphamedical.sk/casopis-invitro/hemolyticke-anemie

Podobné články

19.jún 2020 – svetový deň kosáčikovitej anémie

Kosáčikovitá anémia je najznámejšie ochorenie, ktoré postihuje červené krvinky (tzv. erytrocyty). Je to prvé ľudské ...
Čítať Viac

Čo je to vírus a ako sa objavil nový typ koronavírusu SARS-CoV2?

Vírus je malá parazitická častica, ktorá sa sama nedokáže reprodukovať. Na reprodukciu vyžaduje spoluúčasť nejakej ...
Čítať Viac

5 vecí, ktoré by ste mali vedieť o testovaní DNA

Analýza DNA zameraná na predpovedanie rizika ochorení má potenciál predchádzať ochoreniam a zachraňovať životy. Technológie testovania ...
Čítať Viac

Čo sa deje s mojou vzorkou v laboratóriu?

Po naplnení skúmavky vzorkou slín nie je predmetom skúmania tekutina ako taká, ale bunky sliznice z epitelu ...
Čítať Viac

Zdravie, to najcennejšie, čo máme

Zdravie patrí medzi to najcennejšie, čo máme. Ako si udržať zdravie čo najdlhšie je téma, ...
Čítať Viac

Slovák, ktorý založil onkologické centrum v USA: Budúcnosť medicíny je v genetike

Doc.MUDr.Štefan Korec, Csc. patrí medzi významných onkológov nielen na Slovensku, ale aj vo svete. V štáte ...
Čítať Viac

Odkiaľ vie bunka pečene, že sa má stať bunkou pečene?

Ako je možné, že ak všetky bunky nášho tela obsahujú tú istú genetickú informáciu, môžu ...
Čítať Viac

DNA, chýbajúca časť hádanky na ceste k našim cieľom

Genetické testovanie začína postupne prenikať do našich životov. Analýza DNA odhaľuje genetické tajomstvá, rozdielnosť medzi ...
Čítať Viac