Het klinkt misschien als een graanmerk, maar CRISPR is een van de belangrijkste revoluties in de genetica tijdens ons leven. In de afgelopen maanden zijn er verhalen naar voren gekomen over onderzoekers die CRISPR-Cas-eiwitten gebruiken om de genetische sequenties van DNA effectief te bewerken, hiv te doden, Zika te eten zoals Pac-man en een GIF opslaan in het DNA van bacteriën .
Maar ondanks het potentieel van CRISPR is het een ongelooflijk controversiële procedure. Het vereist dat DNA-strengen worden gesneden en volledig worden gewijzigd om de genetische samenstelling van een persoon te veranderen, en twee nieuwe onderzoeken hebben een dergelijke technologie voor het bewerken van genen gekoppeld aan een toename van kanker.
De kranten, één voor... Novartis en de andere door de Karolinska Instituut , gepubliceerd inNatuurgeneeskunde, concluderen dat gentherapietechnieken iemands vermogen om tumoren te bestrijden kunnen verzwakken en kanker kunnen veroorzaken, wat aanleiding geeft tot bezorgdheid over de veiligheid van op CRISPR gebaseerde gentherapieën.
Laten we echter een beetje achteruitgaan.
Zie gerelateerd Wat zijn stamcellen en hoe kunnen ze de geneeskunde veranderen? Menselijke hoofdtransplantatie: controversiële procedure met succes uitgevoerd op lijk; live procedure op handen
De twee artikelen waren gericht op het gen p53. Eerder onderzoek heeft aangetoond dat bepaalde menselijke tumoren zich niet kunnen ontwikkelen als het p53-gen werkt zoals het zou moeten. Als gevolg hiervan fungeert p53 als een natuurlijk verdedigingsmechanisme om het genoom te beschermen tegen het soort veranderingen dat door CRISPR-Cas9 wordt aangebracht. Wanneer CRISPR-Cas9 wordt gebruikt om de genetische samenstelling van een persoon te bewerken, springt het p53-gen in zijn verdediging en doodt het de bewerkte cellen effectief door ze zichzelf te laten vernietigen. In feite is het dit gen dat de voortgang en effectiviteit van de CRISPR-techniek in een aantal onderzoeken heeft vertraagd.
In gevallen waarin CRISPR-Cas9 met succes het genoom van een persoon heeft bewerkt, suggereert dit echter dat het p53-gen van de specifieke cel defect of disfunctioneel is. Dit kan op zijn beurt worden gekoppeld aan het feit dat het lichaam minder goed in staat is om kanker te bestrijden. In het bijzonder kan een defecte p53 leiden tot:cellen om ongecontroleerd te groeien en kanker te worden, en is in verband gebracht met gevallen vaneierstok-, colon- en endeldarmkanker.
Door cellen te kiezen die met succes het beschadigde gen hebben gerepareerd dat we wilden repareren, kunnen we per ongeluk ook cellen kiezen zonder functionele p53, studie auteur Emma Haapaniemi van het Karolinska Institute uitgelegd . Als dergelijke cellen worden getransplanteerd in een patiënt, zoals bij gentherapie voor erfelijke ziekten, kunnen ze kanker veroorzaken, wat aanleiding geeft tot bezorgdheid over de veiligheid van op CRISPR gebaseerde gentherapieën.
Er moet echter worden opgemerkt dat het hebben van een verband met kanker niet hetzelfde is als het veroorzaken van kanker en de resultaten in deze twee onderzoeken zijn wat bekend staat als voorlopig, wat betekent dat er verder werk nodig is om de bevindingen te versterken of te verwerpen. De onderzoekers nemen zelfs snel afstand van de bewering dat CRISPR gevaarlijk is. In plaats daarvan werpen ze valide problemen op en adviseren ze bedrijven en wetenschappers die met klinische proeven doorgaan om zich bewust te zijn van de link.
De onderzoeken richten zich ook op een heel specifiek type CRISPR-bewerkingstechniek - het Cas-9-eiwit dat wordt gebruikt voor het corrigeren van ziek DNA door gezond, bewerkt DNA in te voegen - en er is verder onderzoek nodig om te zien of andere vormen van genbewerking soortgelijke problemen veroorzaken. Inderdaad, in een poging om soortgelijke, eerdere kritieken aan te pakken, rapporteerden onderzoekers van het Salk Institute onlangs een tijdelijke oplossing. In plaats van genen te bewerken, zou hun zogenaamde epigenetische (of boven het gen) CRISPR-methode ervoor zorgen dat genen worden in- of uitgeschakeld in plaats van te worden geknipt.
Door het epigenoom te wijzigen, waren wetenschappers in staat het gedrag van een gen te beheersen zonder direct enig DNA te wijzigen; genmodificatie in plaats van genbewerking. In proeven met muizen keerden de wetenschappers symptomen van nierziekte, diabetes type 1 en een vorm van spierdystrofie om. Het heeft ook potentieel voor het uitroeien van de ziekte van Alzheimer.
Wat is CRISPR-Cas9?
CRISPR-Cas9 is een genoombewerkingstool die in staat is om DNA op een gerichte manier te knippen, waardoor wetenschappers de bouwstenen van het leven nauwkeurig kunnen bewerken. Je zult het waarschijnlijk naast het iets minder bekende duo van CRISPR-Cas1 en CRISPR-Cas2 zien staan - die beide stukjes DNA in het eigen genoom van een bacterie splitsen (daarover later meer).
Cas9 werd eigenlijk voor het eerst waargenomen in de jaren tachtig als onderdeel van de afweermechanismen van eencellige bacteriën, die ervoor zorgen dat de cellen ongewenste indringers kunnen verwijderen. Wetenschappers hebben ontdekt dat ze, door de technologie aan te passen, in staat zijn om genoomsequenties te targeten met ongekende snelheid, precisie en nauwkeurigheid.
Stel je CRISPR-Cas9 voor als een zoek- en vervangzoekopdracht in een computerdocument, alleen in plaats van woorden bewerk je genetische sequenties.Het nauwkeurig aanpassen van DNA is een wetenschappelijke heilige graal en het potentieel is enorm. Het zou kunnen worden gebruikt om ziekten uit te roeien - zelfs erfelijke ziekten zoals cystische fibrose, sikkelcelanemie en de ZvH zouden tot het verleden kunnen behoren.
De naam CRISPR is een acroniem voor de minder pakkende geclusterde, regelmatig op afstand staande korte palindroomherhalingen. Het Cas-gedeelte verwijst naar CRISPR geassocieerd.
CRISPR-Cas9: Hoe werkt het?
CRISPR maakt deel uit van de natuurlijk voorkomende afweer van bepaalde bacteriën. Wanneer een bacterie een binnendringend virus detecteert, is hij in staat om segmenten van het vreemde DNA te kopiëren en te mengen in zijn eigen genoom rond CRISPR. Cas9 doet het snijden, terwijl Cas1 en Cas2 het externe DNA in het genoom van de cel inbrengen.
hoe een Facebook-pagina te zoeken
De volgende keer dat het virus wordt opgemerkt, heeft CRISPR een exacte kopie van de genoomsequentie om op te letten, en dat is waar het Cas-eiwit binnenkomt: het kan het DNA opknippen en ongewenste genen met ongelooflijke nauwkeurigheid uitschakelen.
Of, zoals Carl Zimmer uitlegt : Terwijl het CRISPR-gebied zich vult met virus-DNA, wordt het een moleculaire meest gezochte galerij, die de vijanden vertegenwoordigt die de microbe is tegengekomen. De microbe kan dit virale DNA vervolgens gebruiken om Cas-enzymen om te zetten in precisiegeleide wapens. De microbe kopieert het genetische materiaal in elke spacer naar een RNA-molecuul. Cas-enzymen nemen vervolgens een van de RNA-moleculen op en wiegen deze. Samen drijven het virale RNA en de Cas-enzymen door de cel. Als ze genetisch materiaal tegenkomen van een virus dat overeenkomt met het CRISPR-RNA, klikt het RNA stevig vast. De Cas-enzymen hakken het DNA vervolgens in tweeën, waardoor het virus zich niet kan vermenigvuldigen.
In 2012 publiceerden wetenschappers van de University of California, Berkeley, een baanbrekend papier waaruit bleek dat ze het CRISPR-Cas-immuunsysteem konden herprogrammeren om genen naar believen te bewerken. CRISPR-Cas9 maakt gebruik van een specifiek Cas-eiwit en een hybride RNA dat elke gensequentie kan identificeren en bewerken. De mogelijkheden zijn enorm.
Kortom, CRISPR somt de DNA-sequenties op waarop moet worden getarget, en vervolgens doet Cas9 het knippen. Wetenschappers hoeven alleen CRISPR met de juiste code te programmeren en Cas9 doet de rest.
Dit kan ook van toepassing zijn op defecte genen - secties die momenteel problemen veroorzaken, kunnen worden verwijderd met CRISPR-Cas9 en vervolgens worden vervangen door gezonde genetische code, waardoor het probleem theoretisch wordt opgelost.
CRISPR-Cas9: Is het bij mensen gebruikt?
Ja, in China . Met behulp van menselijke embryo's die afkomstig waren van een vruchtbaarheidskliniek, probeerden wetenschappers CRISPR-Cas9 te gebruiken om een gen te bewerken dat bèta-thalassemie in elke cel veroorzaakt. Opgemerkt moet worden dat de gebruikte donorembryo's niet-levensvatbaar waren en niet tot een levende geboorte hadden kunnen leiden.
In ieder geval faalde het, en het faalde behoorlijk: 86 embryo's werden geïnjecteerd, en na 48 uur en ongeveer acht cellen die waren gegroeid, overleefden 71 het, en 54 daarvan werden genetisch getest. Slechts 28 waren met succes gesplitst en slechts weinigen bevatten het genetische materiaal dat de onderzoekers bedoelden.Als je het in normale embryo's wilt doen, moet je bijna 100% zijn, hoofdonderzoeker Jungiu Huang verteldeNatuur . Daarom zijn we gestopt. We vinden het nog steeds te onvolwassen.
Bovendien is het zeer waarschijnlijk dat er meer ongedocumenteerde schade is aangericht. als de New York Times legt uit :De Chinese onderzoekers wijzen erop dat in hun experiment het bewerken van genen vrijwel zeker meer schade heeft veroorzaakt dan ze hebben gedocumenteerd; ze onderzochten niet het volledige genoom van de embryocellen.
Zoals je je misschien kunt voorstellen, veroorzaakte het een enorme hoeveelheid controverse in de wetenschappelijke gemeenschap.
In november 2016 , werd een andere groep Chinese wetenschappers de eersten die CRISPR-Cas9 op een volwassen mens gebruikten, waarbij ze een longkankerpatiënt injecteerden met de immuuncellen van de patiënt die door CRISPR waren gemodificeerd om het PD-1-eiwit uit te schakelen, waardoor het lichaam van de patiënt theoretisch terugvecht tegen de kanker .
Dan, in een studie gepubliceerd op 3 augustus, hebben wetenschappers met succes menselijke embryo's 'bewerkt' en het defecte DNA-segment verwijderd dat kan leiden tot erfelijke hartaandoeningen. Het was een mijlpaal en bood mogelijkheden om ongeveer 10.000 genetische aandoeningen met een enkele mutatie (d.w.z. ziekten veroorzaakt door een enkel defect gen) bij toekomstige mensen te voorkomen.
CRISPR-Cas9 en ethiek
Hoewel de Chinese wetenschappers embryo's gebruikten die zich niet tot leven zouden ontwikkelen, bestaan er echte ethische zorgen over experimenten met menselijke embryo's - inderdaad, slechts een maand voordat het Chinese onderzoek werd gepubliceerd, een groep Amerikaanse wetenschappers drong er bij de wereld op aan dat niet te doen .
Een deel hiervan komt neer op hoe onvolwassen de technologie is - onthoud dat deze pas sinds 2012 actief in gebruik is, en het zou verbazingwekkend zijn als deze op dit moment volledig volwassen zou zijn. Wetenschappers waarschuwden dat het op dit moment te verkeerd begrepen en te gevaarlijk was om op mensen te gebruiken, en het Chinese onderzoek bevestigt deze bezorgdheid zeker. Zelfs als het vlekkeloos zou werken, zijn er zorgen dat onvoorziene gevolgen zich over generaties kunnen voordoen.
Maar zelfs als het 100% veilig en succesvol zou zijn, zijn er andere ethische bezwaren: terwijl niemand beweert dat we het potentieel van het uitroeien van dodelijke genetische ziekten zoals de ziekte van Huntington en cystische fibrose moeten tegenhouden, biedt CRISPR-Cas9 potentieel de mogelijkheid om te veranderen iets over een persoon. Zolang de genetische sequentie is geïdentificeerd, kan deze in theorie worden bewerkt.
Het is één ding om levensbedreigende ziekten vóór de geboorte te verwijderen - het is heel wat anders voor ouders om hun baby's zo te kunnen ontwerpen dat ze sterker, sneller of mooier zijn. Zelfs als je accepteert dat dit iets is dat mensen zouden moeten mogen doen, is de kans groot dat dit sterk gecommercialiseerd wordt, waardoor alleen de rijken zich alle extra levensvoordelen kunnen veroorloven die dit zou opleveren, wat een enorme impact heeft op de ongelijkheid.
CRISPR-Cas9: Wat is er tot nu toe gedaan?
Natuurlijk zijn deze ethische vragen een miljoen mijl verwijderd toen het enige geregistreerde embryonale menselijke experiment zo'n opvallende tegenslag veroorzaakte. CRISPR-Cas9 laat nu echter zeer veelbelovende resultaten zien in kleinere tests.
Voorbeelden zijn onder meer: Preventie van HIV-infectie in menselijke cellen , genetische muisziekten genezen en een paar apen geboren met gerichte mutaties .
CRISPR is ook in opkomst als een effectief middel om gegevens in DNA op te slaan. In maart 2017 publiceerden een paar onderzoekers van het New York Genome Center een rapport in de Wetenschap journal, waarin methoden worden beschreven voor het opslaan van gecomprimeerde bestanden in DNA-moleculen. Met behulp van een algoritme voor het vertalen van de bestanden naar een binaire code die kan worden toegewezen aan de nucleotidebasen van het DNA, konden de onderzoekers in totaal zes bestanden coderen: een academisch artikel uit 1948, een Pioneer-plaquette, een besturingssysteem, een virus, de film uit 1895Aankomst van een trein op station La Ciotat... en een Amazon-cadeaubon van $ 50.
Een paar maanden later, een team van wetenschappers van de Harvard Medical School codeerde een lusvideo in het DNA van een levende E.Coli-bacteriecel . Het doel is om een systeem te ontwikkelen voor het maken vanmoleculaire recorders - DNA dat in staat is om zijn eigen informatie uit zijn omgeving op te nemen. Dit kan bij alles worden gebruikt, van het monitoren van bodemverontreiniging tot een revolutie in ons begrip van neurologische activiteit.
Als onderdeel van het Safe Genes-programma van DARPA omvatten de zeven teams een:team onder leiding van Dr. Amit Choudhary van de Harvard Medical School dat manieren ontwikkelt om malaria-verspreidende muggen te bestrijden, een tweede team van de Harvard Medical School dat CRISPR wil gebruiken om mutaties veroorzaakt door straling te detecteren en om te keren. Een team van de North Carolina State University onder leiding van Dr. John Godwin wil zich richten op gene drive-systemen bij ratten om invasieve soorten te beheersen, terwijl de University of California, Berkeley CRISPR wil gebruiken om Zika- en Ebola-virussen aan te pakken. De volledige lijst met projecten en teamdetails zijn beschikbaar op de website van DARPA.
Meer recentelijk deelde structureel bioloog Osamu Nureki van de Universiteit van Tokio ongelooflijke beelden van CRISPR die DNA in realtime bewerkte, die deel uitmaakten van het recente artikel van zijn team, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie . De onderstaande clip toont hoe CRISPR DNA doorzoekt voordat het wordt bewerkt. Je kunt zien dat een DNA-streng losraakt.
De beelden werden oorspronkelijk getoond aan aanwezigen van de CRISPR 2017 conferentie die in juni plaatsvond. De paper is naar aanleiding van deze conferentie ingediend en op 10 november gepubliceerd.
CRISPR-Cas9: Komt het naar het VK?
Ja. Stamcelonderzoekers in het Verenigd Koninkrijk toestemming gevraagd om menselijke embryo's te modificeren in een poging de vroege menselijke ontwikkeling te begrijpen en de kans op een miskraam te verkleinen. In februari 2016 heeft deHuman Fertilization and Embryology Authority (HFEA) heeft toestemming verleend.
CRISPR-Cas9: Waarom is CRISPR slecht?
Zoals eerder vermeld, kan Cas9 alleen genetische sequenties van ongeveer 20 basen lang herkennen, wat betekent dat langere sequenties niet kunnen worden getarget.Belangrijker is dat het enzym soms nog steeds op de verkeerde plaats snijdt. Uitzoeken waarom dit is, zal op zich al een belangrijke doorbraak zijn - het oplossen ervan zal nog groter zijn.
Dan is er natuurlijk het probleem dat CRISPR niet erg goed werkte in menselijke embryo's en de recentere verbanden met kanker.
CRISPR-Cas9: Wie is de eigenaar?
Dat is geen eenvoudige vraag om te beantwoorden. Het is onderhevig aan een voortdurende patentstrijd - verrassend, aangezien CRISPR van nature voorkomt in bepaalde bacteriën.
Technologie beoordelinglegt uit dat, hoewel CRISPR-Cas9 voor het eerst werd beschreven inWetenschapin 2012 door Jennifer Doudna van UC Berkeley, won Feng Zhang van het Broad Institute een patent op de techniek door laboratoriumnotitieboekjes in te dienen die aantoonden dat hij het als eerste had uitgevonden.
Eerst octrooirechten indienen betekent dat dit aan Doudna moet worden verleend, maar de beslissing had kunnen worden genomen op basis van regels die eerst werden uitgevonden, wat Zhang in het voordeel zou zijn geweest. Uiteindelijk, de zaak werd in februari 2017 opgelost , toen de US Patent Trial and Appeal Board besloot dat UC Berkeley het patent zou krijgen voor het gebruik van CRISPR-Cas9 in elke levende cel, terwijl Broad het zou krijgen in elke eukaryote cel - dat wil zeggen cellen in planten en dieren.
Afbeeldingen: Petra B Frits , VeeDunn , NIH-afbeeldingengalerij , en Steve Jurvetson gebruikt onder Creative Commons
