Edycja genów ludzkiego embrionu może mieć niezamierzone konsekwencje dla zdrowia ludzkiego i całego społeczeństwa. Dlatego też, kiedy chiński naukowiec użył tej metody, próbując uodpornić dzieci na HIV, wielu szybko potępiło ten ruch jako przedwczesny i nieodpowiedzialny. Natura zapytała naukowców, co uniemożliwia uznanie tej procedury za dopuszczalną praktykę kliniczną.
Próby dokonania dziedzicznych zmian w ludzkim genomie budziły kontrowersje. Oto, co musisz zrobić, aby ta technika była bezpieczna i akceptowalna.
Sześć miesięcy po ślubie Jeff Carroll i jego żona zdecydowali się nie mieć dzieci. Carroll, 25-letni były kapral armii amerykańskiej, właśnie dowiedział się, że ma mutację, która powoduje pląsawicę Huntingtona, zaburzenie genetyczne, które niszczy mózg i układ nerwowy i niezmiennie prowadzi do przedwczesnej śmierci. Około cztery lata temu zdiagnozowano u jego matki chorobę, a teraz dowiedział się, że on również prawie na pewno zachoruje.
W obliczu 50% szans na przekazanie tego samego ponurego losu swoim dzieciom, para zdecydowała, że dzieci nie wchodzą w grę. „Właśnie zakończyliśmy temat” - mówi Carroll.
Jeszcze w wojsku zaczął studiować biologię w nadziei, że lepiej zrozumie swoją chorobę. Dowiedział się, że istnieje taka procedura jak preimplantacyjna diagnostyka genetyczna, czyli PGD. Carroll i jego żona mogli praktycznie wykluczyć możliwość przeniesienia mutacji poprzez zapłodnienie in vitro (IVF) i diagnostykę zarodków. Postanowili spróbować szczęścia iw 2006 roku mieli bliźniaki bez mutacji Huntingtona.
Carroll jest obecnie badaczem na Western Washington University w Bellingham, gdzie stosuje inną technikę, która może pomóc parom w jego trudnej sytuacji: edycję genomiczną CRISPR. Użył już tego potężnego narzędzia do zmiany ekspresji genu odpowiedzialnego za chorobę Huntingtona w komórkach myszy. Ponieważ pląsawica Huntingtona jest wywoływana tylko przez jeden gen, a jej konsekwencje są tak niszczycielskie, to właśnie ta choroba jest często podawana jako przykład sytuacji, w której edycja genów w zarodku ludzkim - procedura, która może powodować zmiany odziedziczone przez przyszłe pokolenia, a zatem jest kontrowersyjna - może być naprawdę usprawiedliwiony. Ale perspektywa wykorzystania CRISPR do zmiany tego genu w ludzkich embrionach wciąż niepokoi Carrolla. „To ogromny krok milowy” - mówi. - Rozumiem,że ludzie chcą to przekazać jak najszybciej - w tym ja. Ale w tej sprawie wszystkie ambicje muszą zostać odrzucone”. Procedura może mieć nieprzewidziane konsekwencje dla zdrowia ludzkiego i całego społeczeństwa. Powiedział, że zanim technologia będzie bezpieczna, miną dziesiątki lat.
Opinia publiczna na temat edycji genów w celu zapobiegania chorobom jest ogólnie pozytywna. Ale powściągliwość Carrolla jest podzielana przez wielu naukowców. Kiedy w zeszłym roku pojawiła się wiadomość, że chiński biofizyk używa edycji genomu, aby uczynić dzieci bardziej odpornymi na HIV, wielu naukowców szybko potępiło ten ruch jako przedwczesny i nieodpowiedzialny.
Od tego czasu kilku badaczy i towarzystw naukowych wezwało do wprowadzenia moratorium na edycję odziedziczonego genomu ludzkiego. Ale takie moratorium rodzi ważne pytanie, mówi embriolog Tony Perry z Uniwersytetu w Bath w Wielkiej Brytanii. „Kiedy można go usunąć?” - mówi. - Jakie warunki trzeba w tym celu spełnić?
Film promocyjny:
Nature zapytało naukowców i innych interesariuszy, co uniemożliwia uznanie edycji genów genetycznych za akceptowalną metodę kliniczną. Pewne problemy naukowe można prawdopodobnie przezwyciężyć, ale może zajść konieczność zmiany praktyki badań klinicznych i znalezienia szerszego konsensusu w sprawie technologii dla metody, która ma być certyfikowana.
Poza celem: ile „błędów” możesz popełnić?
Edycja genomu jest technicznym wyzwaniem, ale największą uwagę zwraca się na możliwość niepożądanych zmian genetycznych, mówi Martin Pera, badacz komórek macierzystych w laboratorium Jackson's Bar Harbor w stanie Maine. Dodaje jednak, że jest to problem, który prawdopodobnie będzie najłatwiejszy do rozwiązania.
Najpopularniejszą metodą edycji genów jest system CRISPR-Cas9. Sam mechanizm jest zapożyczony od niektórych bakterii, które używają go do obrony przed wirusami poprzez cięcie DNA enzymem Cas9. Naukowiec może użyć fragmentu RNA, aby skierować Cas9 do określonego regionu w genomie. Jednak, jak się okazuje, Cas9 i podobne enzymy tną DNA w innych miejscach, zwłaszcza gdy w genomie znajdują się sekwencje DNA podobne do pożądanego celu. Te „boczne” nacięcia mogą prowadzić do problemów zdrowotnych, takich jak zmiana genu, który hamuje wzrost guza, może prowadzić do raka.
Naukowcy próbowali opracować alternatywy dla enzymu Cas9, które mogą być mniej podatne na błędy. Opracowali również wersje Cas9, które zapewniają niższy poziom błędów.
Odsetek błędów różni się w zależności od regionu genomu, na który celuje enzym. Wiele enzymów edytujących geny badano tylko na myszach lub komórkach ludzkich hodowanych w hodowli, a nie na ludzkich embrionach. Wskaźnik błędu może być różny w komórkach mysich i ludzkich, a także w komórkach dojrzałych i embrionalnych.
Liczba błędów nie musi wynosić zero. Niewielka ilość zmian DNA zachodzi naturalnie za każdym razem, gdy komórka się dzieli. Niektórzy twierdzą, że pewne zmiany tła mogą być dopuszczalne, zwłaszcza jeśli metoda jest stosowana do zapobiegania lub leczenia poważnej choroby.
Według Perry, niektórzy badacze uważają, że współczynnik błędów CRISPR jest już wystarczająco niski. „Ale - i myślę, że jest to dość duże„ ale”- jeszcze nie wymyśliliśmy jeszcze szczegółów edycji ludzkich jaj i zarodków - powiedział.
Cel, ale nie tak: jak dokładna powinna być edycja genomu?
Większym problemem niż skutki uboczne mogą być zmiany DNA, które są ukierunkowane, ale niepożądane. Po tym, jak Cas9 lub podobny enzym przecina DNA, komórka zostaje pozostawiona do wyleczenia rany. Ale procesy naprawy komórek są nieprzewidywalne.
Jedną z form naprawy lub naprawy DNA jest niehomologiczne przyłączenie końców, które usuwa niektóre litery DNA w miejscu cięcia - proces, który może być przydatny, jeśli celem edycji jest wyłączenie ekspresji zmutowanego genu.
Inna forma naprawy, zwana naprawą homologiczną, umożliwia naukowcom przepisanie sekwencji DNA poprzez dostarczenie próbki, która jest kopiowana w miejscu cięcia. Może być stosowany do korygowania stanu, takiego jak mukowiscydoza, który jest zwykle spowodowany delecją (utratą części chromosomu) w genie CFTR.
Oba procesy są trudne do kontrolowania. Delecje spowodowane niehomologicznym łączeniem końców mogą mieć różną wielkość, tworząc różne sekwencje DNA. Naprawa homologiczna pozwala na lepszą kontrolę nad procesem edycji, ale występuje znacznie rzadziej niż usunięcia w wielu typach komórek. Badania na myszach mogą sprawić, że edycja genomu CRISPR będzie dokładniejsza i wydajniejsza niż obecnie, mówi Andy Greenfield, genetyk z Harwell Institute of the UK Medical Research Council, niedaleko Oxfordu. Myszy hodują duże potomstwo, dlatego naukowcy podejmują wiele prób uzyskania udanej edycji i pozbycia się wszystkich błędów. Tego samego nie można powiedzieć o embrionach ludzkich.
Nie jest jeszcze jasne, jak skuteczna będzie ukierunkowana naprawa homologiczna u ludzi, ani nawet jak dokładnie będzie działać. W 2017 roku jedna grupa naukowców wykorzystała CRISPR-Cas9 w ludzkich embrionach do skorygowania wariantów genów związanych z niewydolnością serca. Zarodki nie zostały wszczepione, ale wyniki pokazały, że zmodyfikowane komórki były używane jako szablon do naprawy DNA z genomem matki, a nie szablon DNA dostarczony przez naukowców. Może się to okazać bardziej niezawodnym sposobem edycji DNA ludzkich embrionów. Ale od tego czasu inni badacze poinformowali, że nie są w stanie powtórzyć tych wyników. „Nie rozumiemy jeszcze w pełni, w jaki sposób dochodzi do naprawy DNA w embrionach” - mówi Jennifer Doudna, biolog molekularny z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley.„Musimy dużo pracować z innymi typami zarodków, aby zrozumieć przynajmniej podstawowe rzeczy”.
Naukowcy opracowują sposoby rozwiązywania problemów związanych z naprawą DNA. W dwóch publikacjach opublikowanych w czerwcu omówiono system CRISPR, który może wstawić DNA do genomu bez zakłócania obu nici, omijając w ten sposób zależność od mechanizmów naprawy DNA. Jeśli systemy pomyślnie przejdą dalsze testy, mogą pozwolić badaczom na lepszą kontrolę procesu edycji.
Innym podejściem jest użycie techniki zwanej edycją podstawową. Podstawowe edytory zawierają wyłączony Cas9 wraz z enzymem, który może przekształcić jedną literę DNA w inną. Wyłączony Cas9 kieruje edytor bazowy do sekcji genomu, gdzie bezpośrednio modyfikuje chemicznie DNA bez jego cięcia. Badania opublikowane w kwietniu wykazały, że niektóre z tych podstawowych redaktorów mogą również wprowadzać niezamierzone zmiany, ale trwają prace nad poprawą ich dokładności.
„Edycja podstawowa nie spełnia obecnie naszych kryteriów” - mówi Matthew Porteus, hematolog dziecięcy z Uniwersytetu Stanforda w Kalifornii. „Ale możesz sobie wyobrazić, że z czasem będzie lepiej”.
Przeczytaj kontynuację tutaj.
Heidi Ledford