CRISPR-Cas. Co to jest, jak powstał i czemu służy?

W dzisiejszym artykule temat nie poruszany wcześniej na blogu, a bardzo ważny. Mowa o jednej z najnowocześniejszych i najważniejszych metod stosowanych w genetyce molekularnej, która pozwala na bardzo dokładne manipulacje w modyfikowanym DNA. Chodzi o CRISPR/Cas9, czyli drobiazgową technikę, którą znaleziono u mikroorganizmów i wykorzystano dla celów współczesnej nauki i medycyny.
CRISPR-Cas
Savas Abadsidis, https://www.hivplusmag.com
Autor artykułu: Marek Glazer, biolog molekularny, popularyzator nauki

CRISPR jest pradawnym systemem obronnym mikroorganizmów, który wykorzystywany jest obecnie przez naukowców do edytowania genów. Swoją medialną sławę zawdzięcza temu, że jest bardzo kontrowersyjnym tematem, rozpalającym debaty etyczno-filozoficzno-religijne o „Zabawie w Boga”. Dzięki CRISPR to co kiedyś było science-fiction, np. modyfikowanie genetycznie ludzkich zarodków, wskrzeszanie zmarłych gatunków, tworzenie syntetycznego życia czy też pokonanie malarii poprzez pozbycie się komarów malarycznych, stało się realnymi dylematami etycznymi, z którymi musimy się teraz zmierzyć.

Aby zrozumieć dokładniej czym jest CRISPR najlepiej przyjrzeć się krok po kroku jak został on odkryty, a pamiętać należy, że było to wynikiem badań wielu naukowców z całego świata. Komórki naszego ciała zawierają w sobie cząsteczkę DNA, która składa się z sekwencji nukleotydów. Ta sekwencja odpowiada za budowę naszego ciała, o czym wiemy od ponad pół wieku. Z czasem naukowcy nauczyli się coraz lepiej odczytywać sekwencję DNA, czego wielkim przykładem był Projekt Poznania Ludzkiego Genomu (Human Genome Project), ukończony w 2005 roku. Człowiek nie jest jednak jedyną istotą której genom został odczytany. Naukowcy zbadali też sekwencje DNA innych zwierząt, roślin, grzybów, protistów, archeanów, bakterii, wirusów.

W 1993 roku hiszpański mikrobiolog Francisco Mojica po raz pierwszy świadomie zwrócił uwagę na coś bardzo dziwnego w sekwencji DNA jednego z analizowanych przez niego mikroorganizmów. Podczas badania genomu kochającego sól mikroba o nazwie Haloferax mediterranei, dostrzegł w nim 14 regularnie powtarzających się sekwencji DNA. Każda z tych sekwencji liczyła sobie 30 nukleotydów przy czym były one palindromiczne, czyli dało się je odczytać normalnie, jak i wspak. Te powtarzające się sekwencje rozdzielało 35 nukleotydów pozornie losowej sekwencji DNA, którą nazwał „rozdzielaczem” (ang. spacer). Taka regularna budowa fragmentu DNA sugerowała, że dzieje się tam coś ciekawego. Francisco Mojica wysunął hipotezę dotyczącą roli tego miejsca, która jednak szybko okazała się błędna i zagadka nadal czekała na rozwiązanie. Postanowił swoimi przemyśleniami podzielić się z innym badaczem: Ruudem Jansenem.

Pierwszym krokiem było nadanie genetycznej anomalii nazwy: CRISPR. Jest to akronim słów „Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats” czyli po polsku „zgrupowane, regularnie przerywane, krótkie powtórzenia palindromiczne”. Badacze odkryli, że ta genetyczna anomalia nie jest odosobnionym przypadkiem. Już w 1987 roku, na podobną sytuację natrafił przypadkiem Yoshizumi Ishino, który badał sekwencję jednego z genów bakterii pałeczki okrężnicy. Nie wiedział jednak wówczas za co odpowiedzialny był ten fragment. Gdy naukowcy z całego świata wiedzieli już czego szukać, szybko się okazało, że CRISPR jest czymś powszechnym, chociaż fragmenty te mogą się między sobą różnić u różnych gatunków. Zagadkę funkcji CRISPR jeszcze bardziej skomplikowało odkrycie, że zaraz przy nich zawsze znajduje się gen, który tworzył białko o nieznanej funkcji. Gen ten nazwano „Cas” od skrócenia słów „system skojarzony z CRISPR”.

Jednak pod koniec 2005 roku trzy niezależnie pracujące zespoły badaczy odkryły coś ważnego. Owe „losowe” fragmenty DNA, które stanowiły wypełnienie CRISPR wcale nie były przypadkowe. Wiele z nich to genomy wirusów wbudowane w genomy bakterii. Zatem CRISPR/Cas przypomina zasadniczo więzienie dla obcego DNA. Pierwotnie odkryte regularne, krótkie, palindromiczne fragmenty stanowią niejako celę, w której przetrzymywane są pofragmentowane genomy wirusów. Białko Cas byłoby w tej analogii strażnikiem.

Tylko po co to więzienie? W 2006 roku Eugene Koonin zaproponował hipotezę, w której to CRISPR/Cas stanowi „pamięć” komórki o wrogach, którzy próbowali ją zabić. Posiadając i aktualizując swoistą „bazę danych wirusów” komórki mogą posiadać swój własny układ odpornościowy. W 2007 roku dwóch mikrobiologów Rodolphe Barrangou oraz Philippe Horvath pracujących dla firmy produkującej jogurty, postanowili to sprawdzić doświadczalnie. Mieli nadzieję stworzyć kultury bakterii w jogurcie, które będą odporne na wirusy, zwiększając przez to zyski firmy. Zainfekowali bakterie jogurtowe wirusami i szukali ich wirusowego DNA, dodanego do regionu CRISPR u bakterii, które przeżyły. Ku ich radości, znaleźli je. Co więcej wykazali, że po usunięciu fragmentów wirusów z CRISPR, odporność bakterii na nie zostaje zatracona. Dowodzi to, że CRISPR faktycznie ma znaczenie w „pamięci” immunologicznej.

Tylko jak system CRISPR/Cas działa? Pomiędzy 2005, a 2012 rokiem, tysiące naukowców z całego świata starało się odpowiedzieć na to pytanie. Był to ekscytujący okres dla biologii molekularnej, kiedy nawet zwykły student mógł dokonać prostego odkrycia, które zrewolucjonizowałoby naszą wiedzę o systemie CRISPR/Cas. Oto do czego doszli badacze: białko Cas, które zawsze towarzyszy CRISPR jest „endonukleazą” – enzymem rozkładającym DNA. Czasami nawet na ilustracjach naukowych białko Cas symbolizowane jest ikoną Pacmana.

Odkryto wiele wersji tego białka, przy czym największą sławę zyskało białko Cas-9. Białko Cas może przeciąć nić DNA w dowolnym miejscu, jak bardzo ostre nożyczki. Takie przecięcie zazwyczaj w zupełności wystarczy, by zneutralizować zagrożenie jakim są wirusy. Po pofragmentowaniu genomu wirusa na części instrukcje w nim zawarte stają się nonsensowne (nie do właściwego przez komórkę odczytania), jak zapis na kartce papieru pocięty w niszczarce.
CRISPR-Cas
National Human Genome Research Institute, z późn. zm.
Oczywiście bez nadzoru białko Cas stanowiłoby ogromne zagrożenie dla samej komórki – zjadałoby własne DNA. Cas posiada jednak RNA-przewodnika (ang. guide-RNA), który trzyma go w ryzach i naprowadza na właściwe do zniszczenia DNA. Tylko DNA o identycznej sekwencji liter z matrycą RNA-przewodnika może zostać w ten sposób zniszczone przez białko Cas. RNA-przewodnik powstaje z fragmentów odczytanych z „więzienia”, jakim są fragmenty CRISPR. Dokładniej mówiąc, część RNA-przewodnika stanowi fragment wirusa przechowywany w „celi”, a część jest „identyfikatorem” dla białka Cas – strażnika (warto zaznaczyć, że ten podział odkryli uczeni Martin Jinek oraz Krzysztof Chylinski, gdzie ten jest Polakiem). 

I tu z biologii molekularnej przenosimy się w świat powszechny. Korzystając ze zmodyfikowanego systemu CRISPR/Cas-9, naukowiec może hipotetycznie wyleczyć człowieka z jego choroby genetycznej. Zasada działania jest taka sama: wystarczy komórkom człowieka dostarczyć system CRISPR/Cas-9 z genem, który chcemy wyłączyć, a on ten gen sam znajdzie i zneutralizuje. Co więcej, gen też można nie tylko przeciąć, ale i zmodyfikować na dowolne sposoby. Zmienianym komórkom dostarcza się wtedy gen wcześniej zsyntezowany w laboratorium, a mechanizmy naprawy DNA wklejają fragment w miejsce cięcia dokonanego przez białko Cas.

Piękno inżynierii genetycznej z wykorzystaniem CRISPR/Cas polega na tym, że jest ona tania, wydajna, łatwa w użyciu, szybka, ustandaryzowana i będzie działać w prawie każdym organizmie. Jednak najważniejsze jest to, że działa precyzyjniej, niż skalpel. Inżynieria genetyczna wymagała kiedyś miesięcy, a nawet lat pracy. Teraz z systemem CRISPR/Cas-9 w dwa tygodnie można stworzyć genetycznie zmodyfikowane ludzkie komórki. Tak się już dzieje. W 2014 roku naukowcom udało się w ten sposób usunąć wirusa HIV z ludzkich białych krwinek. W 2015 roku stworzono tą metodą komara, który nie przenosi malarii. Natomiast rok później inna grupa badawcza z Chin, korzystając z systemu CRISPR/Cas zmodyfikowała ludzkie embriony, „ucząc” ich układ immunologiczny rozpoznawać komórki złośliwego raka płuc.

Niedawno samotny biohaker w domowych warunkach korzystając z CRISPR wszczepił sobie gen, który miał zwiększać jego masę mięśniową. W tym roku prawdopodobnie rozpoczną się pierwsze badania kliniczne z wykorzystaniem CRISPR na ludziach. Co więcej, technologia CRISPR dynamicznie się rozwija i będziemy o niej słyszeć coraz częściej. Już teraz wiemy, że edytowanie genów to tylko wierzchołek góry lodowej możliwości CRISPR

Artykuł opublikowany dzięki wsparciu Patronów i Patronek na PatronitePonieważ prowadzenie bloga wymaga ponoszenia kosztów (finansowych i czasowych), To tylko teoria posiada profil na Patronite, gdzie w prosty sposób możecie ustawić niewielkie wpłaty na rozwój bloga. 5 czy 10 złotych nie jest dla jednej osoby dużą kwotą, ale przy wsparciu wielu z Was staje się realnym patronatem bloga. 

Udostępnij na Google Plus

O autorze

Łukasz Sakowski. Biolog z Poznania. Czytaj więcej
    Skomentuj na blogu
    Skomentuj na facebooku

6 komentarze :

  1. Świetny artykuł, omawia podstawy, historię, jak i możliwości rozwoju CRISPR-Cas. Pierwszy raz zetknąłem się z ta nazwą w książce Helisa Marca Elsberga.
    Pozdrawiam

    OdpowiedzUsuń
  2. Tylko patrzeć jak kościółek i różnorakie bioetyczne szumowiny będą chcieli tego zakazać. Dobrze, że metoda jest prosta i tania, miejmy nadzieję, że tego nie da się już zatrzymać, tak jak internetu.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Jako "kościółkowiec" i "szumowina bioetyczna" mam nadzieję ze za pomocą tej metody uda się u ciebie odtworzyć tkankę mózgową. Czy powróci z nią rozum? Tego nie wiem.

      Usuń
    2. I co z tym "biohakerem"? Przypakował się jak Arnold,czy zamienił w "biokompost?"

      Usuń
  3. Ten biohaker to Josiah Zayner i jeszcze nie zakończył eksperymentu z mięśniami. Odsyłam do artykułu pt. "Jak zhakować DNA we własnym domu?"z nr 2/2018 Świata Wiedzy ;) główne niebezpieczeństwo polega na tym,że taki domorosły biohaker może zmodyfikować dowolny szczep bakterii i uwolnić bo do środowiska co może mieć opłakane konsekwencje...

    OdpowiedzUsuń
  4. Świetny tekst, przeczytałam jednym tchem!

    OdpowiedzUsuń