211service.com
Genoma ķirurģija
Precīzi un vienkārši veidi, kā pārrakstīt cilvēka gēnus, beidzot varētu nodrošināt rīkus, kas pētniekiem nepieciešami, lai izprastu un izārstētu dažas no mūsu visnāvējošākajām ģenētiskajām slimībām. 2014. gada 11. februāris
Pēdējo desmit gadu laikā, kad DNS sekvencēšanas tehnoloģija ir kļuvusi arvien ātrāka un lētāka, mūsu izpratne par cilvēka genomu ir attiecīgi palielinājusies. Tomēr zinātnieki līdz nesenam laikam ir palikuši pārsvarā nežēlīgi, mēģinot tieši pārveidot gēnus dzīvā šūnā. Ņemiet, piemēram, sirpjveida šūnu anēmiju. Nogurdinoša un bieži nāvējoša slimība, ko izraisa mutācija tikai vienā no pacienta trīs miljardiem DNS bāzes pāru. Lai gan šī ģenētiskā kļūda ir vienkārša un labi izpētīta, pētnieki ir bezpalīdzīgi to labot un apturēt tās postošo ietekmi.
Tagad ir cerība jaunu genoma inženierijas rīku veidā, jo īpaši tāda, ko sauc par CRISPR. Šī tehnoloģija varētu ļaut pētniekiem veikt mikroķirurģiju ar gēniem, precīzi un viegli mainot DNS secību precīzās hromosomas vietās. Kopā ar paņēmienu, ko sauc par TALEN, kas tika izgudrots pirms vairākiem gadiem, un nedaudz vecāku priekšteci, kas balstīta uz molekulām, ko sauc par cinka pirkstu nukleāzēm, CRISPR varētu padarīt gēnu terapiju plašāk pielietojamu, nodrošinot risinājumus vienkāršiem ģenētiskiem traucējumiem, piemēram, sirpjveida šūnu anēmijai un galu galā pat izraisot izārstē sarežģītākas slimības, kas saistītas ar vairākiem gēniem. Lielākā daļa parasto gēnu terapiju jaunu ģenētisko materiālu rupji ievieto nejaušā vietā šūnā un var pievienot tikai gēnu. Turpretim CRISPR un citi jaunie rīki arī sniedz zinātniekiem precīzu veidu, kā izdzēst un rediģēt noteiktus DNS bitus, pat mainot vienu bāzes pāri. Tas nozīmē, ka viņi pēc vēlēšanās var pārrakstīt cilvēka genomu.
Šis stāsts bija daļa no mūsu 2014. gada marta numura
- Skatiet pārējo izdevuma daļu
- Abonēt
Visticamāk, paies vismaz vairāki gadi, pirms šādus centienus varēs attīstīt cilvēku terapijā, taču arvien lielāks skaits akadēmisko pētnieku ir guvuši zināmus provizoriskus panākumus eksperimentos, kas saistīti ar sirpjveida šūnu anēmiju, HIV un cistisko fibrozi (skatīt tabulu tālāk). Viens no tiem ir Gang Bao, Džordžijas Tehnoloģiju institūta bioinženieru pētnieks, kurš jau ir izmantojis CRISPR, lai koriģētu sirpjveida šūnu mutāciju cilvēka šūnās, kas audzētas traukā. Bao un viņa komanda darbu sāka 2008. gadā, izmantojot cinka pirkstu nukleāzes. Kad iznāca TALENs, viņa grupa ātri pārgāja, saka Bao, un pēc tam tā sāka izmantot CRISPR, kad šis rīks kļuva pieejams. Lai gan viņam ir ambīcijas beidzot strādāt pie dažādām slimībām, Bao saka, ka ir lietderīgi sākt ar sirpjveida šūnu anēmiju. Ja mēs izvēlamies slimību, ko ārstēt, izmantojot genoma rediģēšanu, mums vajadzētu sākt ar kaut ko salīdzinoši vienkāršu, viņš saka. Slimība, ko izraisa viena mutācija vienā gēnā, kas ietver tikai vienu šūnu tipu.
Bao ir priekšstats par to, kā šāda ārstēšana darbotos. Pašlaik ārsti var izārstēt nelielu daļu sirpjveida šūnu pacientu, atrodot cilvēku donoru, kura kaulu smadzenes ir imunoloģiski līdzīgas; ķirurgi pēc tam var aizstāt dažas pacienta kaulu smadzeņu cilmes šūnas ar ziedotām. Taču šādi donori ir precīzi jāsaskaņo ar pacientu, un pat tad imūnsistēmas atgrūšana — potenciāli nāvējoša problēma — ir nopietns risks. Bao ārstēšana no tā visa izvairītos. Pēc asins šūnu prekursoru, ko sauc par hematopoētiskajām cilmes šūnām, savākšanas no sirpjveida šūnu pacienta kaulu smadzenēm, zinātnieki izmantos CRISPR, lai labotu bojāto gēnu. Pēc tam gēnu koriģētās cilmes šūnas tiktu atgrieztas pacientam, ražojot veselas sarkanās asins šūnas, lai aizstātu sirpjveida šūnas. Pat ja mēs varam aizstāt 50 procentus, pacients jutīsies daudz labāk, saka Bao. Ja nomainīsim 70 procentus, pacients būs izārstēts.
Lai gan genoma rediģēšana ar CRISPR ir tikai nedaudz vairāk nekā gadu veca, tā jau no jauna izgudro ģenētisko izpēti. Jo īpaši tas dod zinātniekiem iespēju ātri un vienlaikus veikt vairākas ģenētiskas izmaiņas šūnā. Daudzas cilvēku slimības, tostarp sirds slimības, diabēts un dažādi neiroloģiski stāvokļi, ietekmē daudzi slimības gēnu un normālu gēnu varianti. Šīs sarežģītības novēršana ar dzīvnieku modeļiem ir bijis lēns un nogurdinošs process. Attiecībā uz daudziem jautājumiem bioloģijā mēs vēlamies zināt, kā dažādi gēni mijiedarbojas, un šim nolūkam mums ir jāievieš mutācijas vairākos gēnos, saka Rūdolfs Džeenišs, biologs no Vaithedas institūta Kembridžas Masačūsetsā. Bet, saka Jaenisch, izmantojot parastos rīkus, lai izveidotu peli ar vienu mutāciju, var paiet līdz pat gadam. Ja zinātnieks vēlas dzīvnieku ar vairākām mutācijām, ģenētiskās izmaiņas jāveic secīgi, un viena eksperimenta laika grafiks var ieilgt pat gados. Turpretim Jaenisch un viņa kolēģi, tostarp MIT pētnieks Fengs Džans (2013. gadā mūsu 35 novatoru, kas jaunāki par 35 gadiem, sarakstā), pagājušajā pavasarī ziņoja, ka CRISPR ir ļāvis viņiem trīs nedēļu laikā izveidot peļu celmu ar vairākām mutācijām.
Tā kā CRISPR sistēmu var viegli izveidot, lai mērķētu uz jebkuru konkrētu gēnu, šī tehnoloģija ļauj pētniekiem veikt eksperimentus, kas pārbauda lielu skaitu no tiem. Decembrī Džana un MIT pētnieka Ērika Landera vadītās komandas izveidoja CRISPR bibliotēkas, no kurām katra ir vērsta uz citu cilvēka gēnu. Šīs plašās kolekcijas, kurās ir gandrīz visi cilvēka gēni, ir darītas pieejamas citiem pētniekiem. Bibliotēkas sola paātrināt genoma mēroga pētījumus par vēža un daudzu citu cilvēku slimību ģenētiku.
Genoma GPS
Biotehnoloģiju nozare radās 1973. gadā, kad Herberts Boiers un Stenlijs Koens baktērijās ievietoja svešu DNS, ar kuru viņi bija manipulējuši laboratorijā. Dažu gadu laikā Boyer bija līdzdibināts Genentech, un uzņēmums sāka izmantot E. coli modificēti ar cilvēka gēnu, lai ražotu insulīnu diabēta slimniekiem. 1974. gadā Jaenisch , pēc tam Solkas Bioloģisko pētījumu institūtā Sandjego radīja pirmo transgēno peli, izmantojot vīrusus, lai dzīvnieka genomu papildinātu ar DNS no citas sugas. Tomēr šajos un citos agrīnajos gēnu inženierijas piemēros pētnieki aprobežojās ar metodēm, kas svešu DNS ievietoja šūnā pēc nejaušības principa. Viss, ko viņi varēja darīt, bija cerēt uz labāko.
Pagāja vairāk nekā divas desmitgades, pirms molekulārie biologi kļuva lietpratīgi, lai efektīvi mainītu konkrētus gēnus dzīvnieku genomos. Dana Kerola no Jūtas universitātes atzina, ka cinka pirkstu nukleāzes, inženierijas olbaltumvielas, par kurām 1996. gadā ziņoja Džona Hopkinsa universitātes kolēģi, var izmantot kā programmējamu gēnu mērķauditorijas atlases rīku. Proteīna vienu galu var veidot tā, lai atpazītu noteiktu DNS secību; otrs gals sagriež DNS. Kad šūna dabiski labo šos griezumus, tā var aizlāpīt savu genomu, kopējot no piegādātās svešās DNS. Lai gan šī tehnoloģija beidzot ļāva zinātniekiem pārliecinoši veikt izmaiņas hromosomā, kur viņi vēlas, to ir grūti izmantot. Katrai modifikācijai pētniekam ir jāizstrādā jauns proteīns, kas pielāgots mērķa secībai — sarežģīts, laikietilpīgs uzdevums, kas ne vienmēr darbojas, jo proteīni ir smalki.
TALEN, vēl viens nozīmīgs sasniegums gēnu rediģēšanā, tika ieviests 2010. gadā. TALEN ir arī olbaltumvielas, kas atrod un izgriež vēlamo DNS secību, taču to pielāgošana jauniem gēnu mērķiem ir daudz vienkāršāka. Lai gan tie ir lielisks uzlabojums salīdzinājumā ar cinka pirkstiem, TALEN ir lielas olbaltumvielas, ar kurām ir apgrūtinoši strādāt un nogādāt šūnās.
CRISPR mainīja visu. Tas aizstāj DNS mērķa proteīnus ar īsu RNS bitu, kas atrodas vajadzīgajos gēnos. Atšķirībā no sarežģītajiem proteīniem, RNS, kam ir gandrīz tāda pati vienkāršā struktūra kā DNS, var regulāri izgatavot laboratorijā; tehniķis var ātri sintezēt aptuveni 20 burtus garās secības, kas nepieciešamas metodei. Sistēma ļauj medicīnas pētniekiem viegli modificēt genomu, aizstājot, dzēšot vai pievienojot DNS.
Nedaudz vairāk kā gada laikā CRISPR ir sācis no jauna izgudrot ģenētiskos pētījumus.
CRISPR apzīmē grupētus, regulāri izvietotus īsus palindromiskus atkārtojumus — īsu DNS sekvenču kopas, kas vienādi lasās uz priekšu un atpakaļ un kuras ir sastopamas daudzos baktēriju veidos. Zinātnieki pirmo reizi novēroja mulsinošos DNS segmentus 1980. gados, bet gandrīz divus gadu desmitus nesaprata, ka tie ir daļa no baktēriju aizsardzības sistēmas. Kad vīruss uzbrūk, baktērijas var iekļaut vīrusa DNS sekvences savā ģenētiskajā materiālā, ievietojot tās starp atkārtotiem segmentiem. Nākamreiz, kad baktērijas saskaras ar šo vīrusu, tās izmanto šajās kopās esošo DNS, lai izveidotu RNS, kas atpazīst atbilstošās vīrusu sekvences. Proteīns, kas pievienots vienai no šīm RNS, pēc tam sagriež vīrusa DNS.
2012. gadā Emanuelle Šarpentjē, medicīnas mikrobioloģe, kura Helmholca infekciju izpētes centrā pēta patogēnus un Dženifera Dudna , līdzstrādnieks Kalifornijas universitātē Bērklijā, parādīja, ka viņi var izmantot vienu RNS kopā ar griešanas proteīnu, enzīmu, ko sauc par Cas9, lai sagrieztu jebkuru vēlamo DNS secību mēģenēs. Joprojām nebija skaidrs, vai šī metode darbosies dzīvnieku šūnās, taču 2013. gada janvārī notika dramatisks izrāviens. Džans un Džordžs Čērčs, Hārvardas Medicīnas skolas ģenētiķis, atsevišķi ziņoja, ka CRISPR/Cas9 sistēmu var izmantot gēnu rediģēšanai dzīvnieku, tostarp cilvēku, šūnās.
Tagad pētniekam, kurš vēlas meklēt jaunu gēnu, ir jāsintezē tikai Cas9 proteīns un nedaudz RNS, kas atbilst mērķa reģiona sekvencēm. Pēc tam RNS virza fermentu uz DNS, kuru pētnieks vēlas sagriezt. Un tā kā neatkarīgi no mērķa tiek izmantots viens un tas pats griešanas proteīns, pētnieki var izstrādāt eksperimentus, kuros viņi vienlaikus maina vairākus gēnus organismā, izmantojot Cas9 un vairākus RNS ceļvežus. Tas piedāvā iespēju veikt eksperimentus, kas agrāk bija ļoti grūti vai būtībā nebija iespējami, saka Doudna.
Sarežģīti noslēpumi
MIT Džans, kurš ir Broad Institute un McGovern smadzeņu pētniecības institūta loceklis, interesējas par garīgo slimību ģenētiku. Lai mēģinātu izprast šos sarežģītos apstākļus, Džans ir palīdzējis izstrādāt vairākus gēnu un neironu modificēšanas rīkus, tostarp TALEN un optoģenētiku, paņēmienu, kas ietver neironu aktivitātes kontroli ar lāzera gaismu. Kad viņš 2011. gadā pirmo reizi dzirdēja par CRISPR, viņš sāka to izstrādāt izmantošanai cilvēka šūnās. Tagad viņš izmanto CRISPR, lai palīdzētu atklāt ģenētiskos noslēpumus, kas slēpjas aiz tādiem postošiem un slikti saprotamiem apstākļiem kā šizofrēnija un autisms.
Šis rīks ļauj Džanam sākt sistemātiski pārbaudīt dažus DNS variantus, kas ir saistīti ar slimībām. Lai gan pēdējo desmit gadu laikā ir panākts liels progress, lai identificētu gēnus, kas ir izplatīti cilvēkiem ar šiem stāvokļiem, saprast, kā šie gēni ir saistīti ar simptomiem, ir biedējošs izaicinājums. Tas, ko jūs mācāties no sekvencēšanas, ir tikai novērojums, saka Džans: lai saprastu, vai aizdomās turētais gēns patiešām izraisa šo stāvokli, jums ir jāievieš konkrētā mutācija veselās šūnās vai organismos un jāredz, kas noiet greizi. Ja mutētajai šūnai vai organismam ir pazīmes, kas atdarina cilvēka slimību, tas liecina par gēnu.
Džans gan laboratorijas pelēs, gan kultivētās cilvēka šūnās var radīt ģenētiskos variantus, kas atrodami cilvēkiem ar autismu un šizofrēniju. Jūs varat ievietot cilvēka mutāciju attiecīgajā laboratorijas dzīvnieka gēnā un pēc tam redzēt: vai šis dzīvnieks kļūst mazāk sociāls vai viņam ir mācīšanās trūkums? viņš saka. Pēc tam viņš piebilst, ka jūs varat izpētīt atšķirības laboratorijā kultivētu neironu uzvedībā un fizioloģijā, kas audzēti no cilmes šūnām, kas ir modificētas ar tādu pašu mutāciju. Viņš saka, ka ar viena gēna mutācijām mēs sāksim redzēt bioloģiskās funkcijas aspektus, kas ir saistīti ar autismu.
Džans izmanto arī CRISPR, lai vienlaikus veiktu vairākas ģenētiskas izmaiņas. Tas kļūst īpaši svarīgi ar tādām sarežģītām slimībām kā autisms un šizofrēnija, kuras lielākoties neizraisa atsevišķas DNS izmaiņas, kas ir aiz sirpjveida šūnu anēmijas. Dažādus pacientus ietekmē dažādas mutāciju kolekcijas. Lai atrisinātu tik ārkārtīgi sarežģītu mīklu, būs nepieciešami lieli, sistemātiski pētījumi par dažādu gēnu ietekmi un to mijiedarbības veidu. CRISPR padara iespējamus šādus pētījumus, saka Džans, un tas būs svarīgi, lai atrastu ārstēšanu dažādām sarežģītām slimībām. Viņš saka, ka mēs vairāk sapratīsim par ceļiem un slimību mehānismiem. Šīs zināšanas sniegs informāciju par visu veidu zāļu izstrādi.
Dizaineru mazuļi
Pagājušā gada beigās Doudna, Zhang, Church un divi citi genoma rediģēšanas pionieri nodibināja jaunuzņēmumu, kas izstrādās jaunus cilvēku ģenētisko slimību ārstēšanas veidus. Novembrī uzņēmums, Izdotās zāles , paziņoja, ka ir piesaistījis 43 miljonus USD riska kapitālā un paziņoja, ka plāno izmantot genoma rediģēšanas tehnoloģijas pret plašu slimību klāstu.
Editas uzsākšanai vajadzētu gūt labumu no intereses atdzimšanas par gēnu terapiju, pateicoties gadiem ilgiem tehnoloģiskiem uzlabojumiem, tostarp drošākiem mehānismiem ārstēšanas nodrošināšanai. Gēnu terapijas ainava ir mainījusies, saka Church. (ASV joprojām nav apstiprinātas gēnu terapijas, lai gan vairākas tiek pētītas ar cilvēkiem.) Taču viņš saka, ka Editas izstrādātās terapijas būtiski atšķirsies no senākajām pieejām, kas izmanto vīrusu, lai šūnās ievietotu gēnu.
Iespējams, zinātnieki varētu pārrakstīt normālus gēnus, lai cilvēki varētu labāk cīnīties ar infekcijām.
Izmaiņu vai dzēšanas veikšana ir ārpus diapazona lielākajai daļai šo vienkāršo vīrusu metožu, saka Church. Un DNS daļas dzēšana, nevis gēna pievienošana, patiešām var būt daudzu slimību ārstēšanas atslēga. Saņemiet Hantingtona slimību. Nāvējošs smadzeņu stāvoklis rodas no toksiska proteīna uzkrāšanās neironos. Veselīgas gēna kopijas pievienošana šūnai neietekmēs šī proteīna indīgo aktivitāti: sākotnējā disfunkcionālā versija ir jāpārraksta. Čērča saka, ka ar jaunajiem genoma rediģēšanas rīkiem var būt iespējama defektīvās DNS pārrakstīšana: jūs neaprobežojaties tikai ar kaut kā trūkstošā pievienošanu. Un, viņš piebilst, kad jūs sākat saprast, ka visizplatītākās gēnu versijas ne vienmēr ir ideālās versijas, tad jūs saprotat, ka tas ir daudz plašāks lauks. Iespējams, zinātnieki varētu pārrakstīt normālus gēnus, lai cilvēki varētu labāk cīnīties ar infekcijas slimībām. Viņi pat varētu satricināt molekulāros ceļus, kas saistīti ar novecošanu.
Baznīca arī prognozē, ka, ja genoma rediģēšana tiek izmantota bērnu slimību ārstēšanai, dažiem zinātniekiem radīsies kārdinājums to izmantot embriju inženierijai in vitro apaugļošanas laikā. Pētnieki jau ir pierādījuši, ka genoma rediģēšana var pārrakstīt DNS sekvences žurku un peļu embrijos, un janvāra beigās pētnieki Ķīnā ziņoja, ka viņi ir radījuši ģenētiski modificētus pērtiķus, izmantojot CRISPR. Izmantojot šādas metodes, cilvēka genomu var rediģēt pirms dzimšanas vai, ja tiek veiktas izmaiņas potenciālā vecāka olās vai spermu veidojošās šūnās, pat pirms ieņemšanas.
Šīs iespējas rada ētiskus jautājumus. Bet, ja pētnieki pierāda, ka viņi var droši labot slimības, rediģējot genomu, ir neizbēgami, ka daži vecāki vēlēsies mainīt arī veselīgu embriju genomus. Ja jūs varat novērst garīgo atpalicību ar gēnu terapiju, pieņemot, ka tas ir pieļaujams, tad tiks apspriests viss intelektuālo izaicinājumu spektrs, saka Church.
Šādas diskusijas, visticamāk, saasināsies, jo CRISPR tiks izmantots plašāk. Tomēr pagaidām tehnoloģija joprojām attīstās: lai gan pētnieki, piemēram, Bao, Čērča un Džans, galu galā cer izārstēt dažas no mūsu grūtākajām slimībām, liela daļa viņu laika joprojām tiek pavadīta, vienkārši pilnveidojot rīku un izpētot tā iespējas. Bet pat šajās pirmajās dienās CRISPR jau ir pārveidojis to, kā šie pētnieki domā par manipulācijām ar genomu. Viņi vairs nav šķiņķi.