Opublikowano trzy artykuły naukowe, w których autorzy donoszą o opadach chromosomowego materiału genetycznego na dużą skalę i rearanżacjach DNA. Artykuł mówi, że odkrycia naukowców wzmacniają obawy dotyczące bezpieczeństwa technologii edycji genomu.
W wyniku serii eksperymentów, w których przeprowadzono modyfikację ludzkich embrionów przy użyciu narzędzia do edycji genów CRISPR-Cas9, naukowcy ustalili, że ta technologia może powodować znaczące i niepożądane zmiany w genomie w miejscu docelowym genomu lub w jego pobliżu.
Wyniki badań zostały opublikowane w tym miesiącu na serwerze bioRxiv preprint, ale nie zostały jeszcze zweryfikowane. Jednak opublikowane artykuły stanowią dobrą wskazówkę, że niektórzy naukowcy uważają, że istnieje niedoceniane ryzyko edycji genomu za pomocą CRISPR-Cas9. Wcześniejsze eksperymenty wykazały, że to narzędzie do edycji jest w stanie wywołać boczne mutacje genów w znacznej odległości od docelowego miejsca DNA; jednak ostatnie badania ujawniły zmiany, które występują na obszarach sąsiadujących z tym miejscem i mogą nie zostać zauważone standardowymi metodami.
„Dla nas ważniejsze są precyzyjne uderzenia. Później znacznie trudniej je wyeliminować”- mówi Gaétan Burgio, genetyk z Australian National University w Canberze.
Kwestie bezpieczeństwa będą prawdopodobnie głównym tematem trwającej debaty na temat tego, czy naukowcy mogą wykorzystywać technologie edycji ludzkich embrionów do zapobiegania chorobom genetycznym. Stosunek do tej technologii rodzi wiele pytań, ponieważ powoduje ona nieodwracalne zmiany w genomie, które następnie będą przekazywane potomkom z pokolenia na pokolenie. „Jeśli technologię edycji ludzkich embrionów do celów reprodukcyjnych lub edycji tak zwanej linii zarodkowej można porównać z pierwszym załogowym lotem w kosmos, to nowe dane uzyskane przez naukowców można porównać do eksplozji rakiety na wyrzutni tuż przed startem” - mówi Fiodor Urnov z Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley,który studiuje edycję genomu (Fedor Urnov nie brał udziału w żadnym z powyższych badań).
Niepożądane efekty
Naukowcy przeprowadzili pierwsze eksperymenty z wykorzystaniem CRISPR do edycji ludzkich embrionów w 2015 roku. Od tego czasu kilka grup naukowych na całym świecie zaczęło badać tę technologię w celu precyzyjnej edycji genów. Jednak takie badania są nadal rzadkie i zwykle ściśle regulowane.
Film promocyjny:
Według Mary Herbert, biologa zajmującego się reprodukcją z Newcastle University w Wielkiej Brytanii, niedawne badanie podkreśla następujące kwestie: Naukowcy niewiele wiedzą o tym, jak ludzkie embriony naprawiają DNA wycinane za pomocą narzędzi do edycji genomu (jest to kluczowy krok w edycji za pomocą CRISPR-Cas9). „Musimy dokładnie zrozumieć, co się tam dzieje, zanim zaczniemy stosować w nim enzymy tnące DNA” - dodaje Mary Herbert.
Pierwszy z przedruków został opublikowany w Internecie 5 czerwca przez biologa rozwojowego Kathy Niakan z Francis Crick Institute w Londynie i jej współpracowników. W swoich badaniach naukowcy wykorzystali CRISPR-Cas9 do stworzenia mutacji w genie POU5F1, który ma duży wpływ na rozwój embrionalny. Spośród 18 wyedytowanych embrionów około 22% zawierało niepożądane zmiany wpływające na duże regiony DNA sąsiadujące z genem POU5F1. W szczególności zaobserwowano przegrupowanie regionów DNA i duże delecje kilku tysięcy nukleotydów DNA - a to znacznie więcej niż jest to zwykle uważane przez naukowców stosujących to podejście.
Inna grupa naukowców, kierowana przez biologa zajmującego się komórkami macierzystymi Dietera Egli z Columbia University w Nowym Jorku, badała zarodki produkowane przez plemniki, które powodują mutację w genie EYS (ta mutacja prowadzi do ślepoty). Naukowcy próbowali naprawić tę mutację za pomocą CRISPR-Cas9, ale około połowa wszystkich badanych embrionów utraciła duże segmenty swojego chromosomu (aw niektórych przypadkach cały chromosom), na którym zlokalizowany jest gen EYS.
Wreszcie trzecia grupa naukowców, kierowana przez biologa reprodukcyjnego Shoukhrata Mitalipova z Oregon Health and Science University w Portland, zbadała zarodki wyprodukowane przy użyciu nasienia, które niosą mutację powodującą choroby serca. Wydaje się, że naukowcy z tego zespołu również byli przekonani, że edycja genomu wpływa na duże regiony chromosomu zawierające zmodyfikowany gen.
We wszystkich swoich badaniach naukowcy używali embrionów wyłącznie do celów naukowych, a nie do wywoływania ciąży. Czołowi autorzy tych trzech badań naukowych, których wyniki znajdują odzwierciedlenie w przedrukach, odmówili szczegółowego omówienia swojej pracy z Newsroomem czasopisma Nature, dopóki ich artykuły nie zostały opublikowane w recenzowanych czasopismach.
Nieprzewidywalne zadośćuczynienie
Wszystkie zarejestrowane zmiany powstają w wyniku naprawy DNA, którą przeprowadza się za pomocą narzędzi do edycji genomu. CRISPR-Cas9 wykorzystuje małą nić RNA do kierowania enzymu Cas9 do miejsca o podobnej sekwencji. Następnie enzym tnie obie nici DNA w tym miejscu, a systemy naprawy komórek zamykają tę lukę.
Edycja następuje właśnie podczas naprawy: najczęściej komórka szczelnie zamyka tę lukę za pomocą mechanizmu, który jest w stanie wstawić lub usunąć niewielką ilość nukleotydów DNA; jednak ten mechanizm działa z błędami. Jeśli naukowcy wstawią szablon DNA, komórka może czasami użyć tej sekwencji do naprawy pęknięcia, co skutkuje poprawnym przepisaniem. Jednak pocięte DNA może również przetasować lub utracić duże fragmenty chromosomu.
Wcześniejsze prace z wykorzystaniem technologii CRISPR w zarodkach myszy i innych typach komórek ludzkich wykazały, że edycja chromosomów może powodować znaczące niepożądane skutki. Jednak według Urnova ważne było, aby naukowcy zademonstrowali swoje podejście do embrionów ludzkich, ponieważ różne typy komórek mogą różnie reagować na edycję genomu.
Ta rearanżacja regionów DNA mogła zostać przeoczona w wielu eksperymentach, w których naukowcy zwykle próbują znaleźć przykłady niepożądanej edycji, powiedzmy, zmiany w jednym nukleotydzie DNA lub małych insercji lub delecji małych fragmentów nukleotydów. Jednak w ostatnich eksperymentach szczególnie badano duże delecje i rearanżacje chromosomów w pobliżu miejsca docelowego. „A społeczność naukowa potraktuje uzyskane wyniki jeszcze poważniej niż wcześniej” - mówi Urnov. „Te wyniki wcale nie są przypadkowe”.
Zmiany genetyczne
Zespoły badawcze, które przeprowadziły trzy opisane powyżej badania, w różny sposób wyjaśniły mechanizm leżący u podstaw rearanżacji w DNA. Na przykład zespoły badawcze Egli i Nyakan uważają, że większość zmian obserwowanych w embrionach wynika z dużych delecji i rearanżacji regionów DNA. Jednak grupa Mitalipova stwierdziła, że aż 40% wykrytych zmian było spowodowanych tak zwaną konwersją genów, w której w wyniku procesów naprawy DNA sekwencja jest kopiowana z jednego chromosomu w parze w celu naprawy innego.
Mitalipov i jego współpracownicy zgłosili podobne wyniki w 2017 r., Ale niektórzy naukowcy byli sceptyczni co do faktu, że konwersja genów jest powszechna w embrionach. Naukowcy zauważyli, co następuje: po pierwsze, podczas konwersji genów chromosomy matki i ojca nie znajdują się obok siebie, a po drugie, analizy wykorzystane przez zespół badawczy do określenia konwersji genów mogą ujawnić inne zmiany chromosomalne, w tym delecje.
Egli i jego koledzy w swoim przedruku chcieli bezpośrednio eksperymentalnie zweryfikować obecność konwersji genów, ale nie mogli jej wykryć. Burjo zauważa, że eksperymenty opisane w przedruku Mitalipova są podobne do tych przeprowadzonych przez jego zespół badawczy w 2017 roku. Według Jin-Soo Kima, genetyka z Seoul National University i współautora przedruku Mitalipov, pęknięcia DNA w różnych częściach chromosomu można skorygować w inny sposób - to jego zdaniem jedno z możliwych rozwiązań problemu …