Dlaczego CRISPR/Cas wart jest Nobla? Krótki kurs genetyki

Tegoroczny Nobel w dziedzinie chemii powędrował do Emmanuelle Charpentier i Jennifer Doudny. Oto na czym polega ich odkrycie – „molekularne nożyczki”, czyli system CRISPR/Cas9.

Biochemiczki i biolożki – Francuzka Emmanuelle Marie Charpentier i Amerykanka Jennifer Anne Doudna – uhonorowane zostały za niezwykle ważne odkrycie m.in. z punktu widzenia inżynierii genetycznej, czyli metodę edycji genomów o nazwie CRISPR/Cas9. Na czym ona polega i co ma wspólnego z palindromami? Żeby zrozumieć, o co chodzi, potrzebny będzie kurs genetyki w telegraficznym skrócie.

Co to jest CRISPR/Cas9 i jak zostało odkryte?

Palindromy to np. zdania, które czytane od lewej do prawej albo na odwrót brzmią tak samo, na przykład „Ikar łapał raki”. Takie właśnie palindromy, tyle że zapisane w DNA bakterii i innych jednokomórkowych mikrobów, zaczęły bardzo interesować naukowców.

Cząsteczka DNA składa się z połączonych ze sobą „szczebelkami” i skręconych (podobnie jak schody) dwóch nici. To słynna „podwójna helisa”. Owe szczebelki zaś to połączone w pary cztery związki chemiczne (nukleotydy) – adenina, tymina, guanina i cytozyna – oznaczane jako A, T, G i C. Za pomocą tych czterech liter zapisana jest budowa m.in. bakterii czy ludzkiego organizmu. Na przykład sekwencja AAG jest przepisem na wyprodukowanie przez komórkę jednego aminokwasu. Z kolei z różnych kombinacji dwudziestu aminokwasów zbudowane są wszystkie białka żywych istot na Ziemi.

Naukowcy zaobserwowali w DNA mikrobów sekwencje składające się z 30 liter z zestawu A, T, G i C, które okazały się palindromami. Okazało się, że są one częścią prymitywnego układu obronnego, dzięki któremu m.in. bakterie odpierają ataki wirusów. Działa on na dość prostej zasadzie: wirusy funkcjonują jak pasożyty, które do tworzenia swoich kopii wykorzystują aparat komórkowy „żywiciela” – wprowadzają tam własny materiał genetyczny. Dlatego w bakteriach, którym atak udało się przetrwać, pozostają jego fragmenty. Co ciekawe, mikroby nauczyły się oznaczać owe wirusowe kawałki w swoim DNA właśnie palindromicznymi sekwencjami. Ponadto dodają do nich gen kodujący białko, które potrafi ciąć nić DNA. Jeśli zatem wirus próbuje taką bakterię ponownie zaatakować, to dzięki owemu fragmentowi własnego materiału genetycznego zostaje rozpoznany, a ów „tnący gen” robi „ciach” i w ten sposób unieszkodliwia groźnego intruza. Innymi słowy uwięziona w bakterii i specjalnie oznaczona sekwencja naprowadza (również dzięki wykorzystaniu cząsteczki RNA, która pełni funkcję „celownika”) białkowy skalpel na identyczne miejsca w materiale genetycznym wirusów.

Naukowcy nadali owym palindromicznym fragmentom DNA mikrobów nazwę CRISPR, będącą skrótem od Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (grupowane, regularnie przerywane, krótkie powtórzenia palindromiczne). Do tego dorzucili Cas9, co oznacza gen odpowiedzialny za produkcję białka tnącego DNA. I tak powstała pełna nazwa bakteryjnego systemu obronnego: CRISPR/Cas9. Później okazało się jednak, że mikroby używają jeszcze innych rodzajów tnących białek Cas.

Narzędzie inżynierii molekularnej

Badacze szybko dostrzegli, że mają w ręku narzędzie, które może znacznie przyspieszyć rozwój inżynierii genetycznej. Już od lat 70. XX w. potrafiono bowiem ciąć enzymami DNA oraz przenosić geny z jednych organizmów do drugich, dzięki czemu sprawiono m.in., że bakterie wytwarzają ludzką insulinę niezbędną dla cukrzyków. Ale nie były to bardzo precyzyjne narzędzia.

„Niezbędnik Inteligenta”: Zabawy z genami

Tymczasem bakteryjny system CRISPR/Cas potrafi naprowadzać na dokładnie wybrany fragment DNA. Jeśli bowiem wstawi się do niego np. jakąś konkretną część genu człowieka, to chemiczna maszyneria znajdzie miejsce, w którym znajduje się on i jego kopie (bo każdy gen występuje w wersji pochodzącej od ojca i matki). Dalsze wydarzenia zależą od tego, jakie tnące białko zostanie zastosowane. Jedno może przeciąć w wyznaczonym miejscu nić DNA, a następnie mechanizmy naprawcze komórki z powrotem ją skleją. Przy czym można tak wpłynąć na ich działanie, że naprawiając przecięcie, komórka wprowadzi zmianę pożądaną przez eksperymentatora. Nazywa się to redagowaniem genomu, gdyż przypomina pracę redaktora poprawiającego literówki w tekście. Można też użyć tnącego białka, które usunie wskazany fragment DNA, tak jak redaktor wykreśla słowa ze zdania.

Za pomocą CRISPR da się zmodyfikować fragment DNA, czyli uszkodzić jakiś gen, tym samym go wyłączając, albo zmienić w inny wariant. Ale nie jest możliwe (przynajmniej na razie) wprowadzenie czegoś, czego w DNA wcześniej nie było. Znów, odwołując się do redakcji tekstów: umiemy poprawić literówkę czy wyciąć jakieś słowo, ale nie dopiszemy całego zdania artykułu lub rozdziału książki.

Co oznacza odkrycie CRISPR/Cas9 w praktyce

Odkrycie CRISPR/Cas9 ma ogromne znaczenie, co wynika również z tego, że bakteryjny system obronny okazał się szybszy w użyciu, łatwiejszy i tańszy w porównaniu z innymi narzędziami inżynierii genetycznej. Kwestią czasu było więc jego praktyczne zastosowanie. W 2013 r. naukowcy z Broad Institute (wspólnej jednostki badawczej Harvard University i Massachusetts Institute of Technology) poinformowali o udanej edycji DNA w ludzkich i mysich komórkach (hodowanych w laboratorium). W tym samym roku pojawiły się też pierwsze publikacje specjalistyczne donoszące o modyfikacjach genów roślin za pomocą CRISPR/Cas9.

Od tego momentu na całym świecie przeprowadzono tysiące eksperymentów polegających na edycji materiału genetycznego organizmów. A ponieważ metoda jest tania, szybka i łatwa, jej użycie w przypadku człowieka od razu wzbudziło obawy. Dlatego w 2015 r. akademie nauk USA, Chin i Wielkiej Brytanii zwołały spotkanie specjalistów poświęcone kwestiom etycznym stosowania CRISPR/Cas. Konkluzją było wezwanie do wstrzymania się z eksperymentami polegającymi na wprowadzaniu zmian genetycznych, które mogłyby być dziedziczone (czyli m.in. wykorzystaniu poddanych edycji komórek rozrodczych człowieka). Moratorium nie wstrzymało zatem wszystkich badań z udziałem ludzi.

Dla chorych na raka i dla rolnictwa

W 2017 r. zespół chińskich naukowców poinformował o pobraniu od pacjenta (cierpiącego na agresywną formę raka płuc) komórek odpornościowych i wyłączeniu niektórych ich genów za pomocą CRISPR/Cas. Głównym celem modyfikacji była sekwencja DNA kodująca białko spowalniające reakcję układu odpornościowego. Następnie tak zmienione komórki hodowano w laboratorium i ponownie wstrzyknięto pacjentowi, by pobudzić mechanizmy obronne organizmu. Rok później media poinformowały, że w Chinach analogicznej terapii poddano kolejnych 86 chorych na raka lub zarażonych wirusem HIV. Podobne eksperymenty prowadzone się w USA.

Znacznie mniej kontrowersyjna wydaje się edycja DNA roślin przeznaczonych do uprawiania przez rolników. W Ameryce Północnej farmerzy otrzymali już takie odmiany. Koncern DuPont Pioneer poddał edycji materiał genetyczny kukurydzy, by zmienić proporcje rodzajów skrobi w ziarnach (na bardziej przydatne dla przemysłu). Z kolei nieduża firma Calyxt zmieniła geny soi zaangażowane w syntezę kwasów tłuszczowych, dzięki czemu uzyskany z nasion olej ma zdrowszy skład. Podobnemu zabiegowi poddany został rzepak, a firma pracuje także nad pszenicą o mniejszej zawartości glutenu (dla alergików) oraz nad odmianą tego zboża wytwarzającą więcej błonnika. A to tylko niektóre przykłady.