CRISPR/Cas9: nástroj na úpravu DNA ocenený Nobelovou cenou

Vôbec po prvýkrát 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 a ich odpoveď na vírusovú infekciu. V dôsledku toho vznikla spolupráca, ktorej výsledkom bol objav takzvaných “genetických nožníc“ – systému CRISPR/Cas9 a jeho využitie 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.

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 potenciálneho 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 boli 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. Doudna, J. A., & Charpentier, E. (2014). The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9. Science, 346(6213).
  2. Farooq, R., Hussain, K., Tariq, M., Farooq, A., & Mustafa, M. (2020). CRISPR/Cas9: targeted genome editing for the treatment of hereditary hearing loss. Journal of applied genetics, 61(1), 51-65.
  3. Ledford, H. (2020). CRISPR treatment inserted directly into the body for first time. Nature, 579(7798), 185-186.
  4. Lino, C. A., Harper, J. C., Carney, J. P., & Timlin, J. A. (2018). Delivering CRISPR: a review of the challenges and approaches. Drug delivery, 25(1), 1234-1257.
  5. Jinek, M., Chylinski, K., Fonfara, I., Hauer, M., Doudna, J. A., & Charpentier, E. (2012). A programmable dual-RNA–guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity. science, 337(6096), 816-821.
  6. Stellos, K., & Musunuru, K. (2019). Challenges and advances of CRISPR-Cas9 genome editing in therapeutics. Cardiovascular research, 115(2), e12-e14.
  7. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2020/summary/
  8. https://www.science.org/content/article/crispr-revolutionary-genetic-scissors-honored-chemistry-nobel
  9. https://www.science.org/content/article/untold-story-circle-trust-behind-world-s-first-gene-edited-babies
  10. http://biochimej.univ-angers.fr/Page2/COURS/Zsuite/6BiochMetabSUITE/4CRISPR/1CRISPR.htm
  11. https://ziva.avcr.cz/ceka-nas-nastup-genove-terapie-aneb-homo-sapiens-gmo.html
Genetik DNA ERA

RNDr. Igor Šťastný, PhD.

Genetik

Igor je absolventom odborov biológia a virológia na Prírodovedeckej fakulte Univerzity Komenského v Bratislave. Doktorát, v ktorom sa venoval molekulárnej biológii, získal na Jesseniovej lekárskej fakulte v Martine. RNDr. obhájil na Univerzite Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach. V spoločnosti DNA ERA pôsobí od roku 2020 na pozícií genetika.

Podobné články

Naše produkty
DNA testy
Rozšírenia a konzultácie