Viete kto objavil najpresnejší spôsob opravy genetickej informácie zapísanej v DNA známej ako CRISPR/Cas9?

18. mar. 2019 • Biologické vedy

Viete kto objavil najpresnejší spôsob opravy genetickej informácie zapísanej v DNA známej ako CRISPR/Cas9?

Označenie CRISPR/Cas9 nie je žiadnym tajným kódom, ale názov pre novú, prevratnú metódu molekulárnej biológie a genetiky, pomocou ktorej možno veľmi presne „opravovať“ genetickú informáciu zapísanú v molekule DNA alebo RNA. Podobne, ako sa v žurnalistike texty správ editujú, možno takýmto spôsobom editovať, resp. krisprovať aj gény. Podstata tejto metódy prekvapivo spočíva vo využití imunitného obranného systému baktérií.

Čo vlastne tajomné pojmy CRISPR a Cas9 vyjadrujú?

Pojem CRISPR je skratkou pre zložitý anglický termín „Clustered Regulatory Interspaced Short Palindromic Repeats“, čo preložené do bežnej reči znamená, že ide o úseky prokaryotickej (bakteriálnej) DNA s nahromadenými pravidelne rozmiestnenými krátkymi repetíciami (opakovaniami), ktoré sú prerušované krátkymi úsekmi tzv. spacerovej DNA (t. j. úsekmi nekódujúcej DNA) pochádzajúcej z vírusov. Tie sú „pozostatkom“ predchádzajúcich stretnutí baktérií s vírusmi. (Pripomeňme si, že vírusy môžu baktérie úplne zničiť/lyzovať a použiť ich ako „stavebný materiál“ na tvorbu nových vírusov, alebo sa do nich zabudujú vo forme tzv. profágov a „driemu“ v nich až dovtedy, kým nedostanú povel, aby sa „prebudili“ a bakteriálne bunky zničili.). CRISPR možno prirovnať k očkovaciemu preukazu, do ktorého si baktérie „zapisujú“, s akým vírusom sa už stretli, aby pri nasledujúcej vírusovej infekcii reagovali na ďalšie stretnutie oveľa pohotovejšie a boli voči nej imúnne (odolné). CRISPR možno považovať za určitý rozpoznávací systém vírusovej infekcie, ktorý dokáže infekčný vírus pomocou Cas rozstrihať a začleniť do kruhového bakteriálneho chromozómu v miestach nazývaných CRISPR lokus (miesto). Skratka Cas9 (z angl. CRISPR Associated Protein 9) predstavuje pomenovanie pre enzým – nukleázu, t. j. reprezentanta druhej časti obranného mechanizmu baktérií, ktorý bežne funguje ako „molekulárne nožnice“ a je schopný „strihať“ DNA.

CRISPR a Cas9

Dve geniálne ženy, ktorým chýba už len Nobelova cena

Geniálna myšlienka, ako strategicky využiť bakteriálne vybavenie na obranu proti votrelcom/vírusom na zámernú manipuláciu s dedičnou informáciou, napadla nezávisle od seba dve vedecké pracovníčky, a to Američanku Jennifer Ann Doudnú a Francúzsku Emmanuelle Marie Charpentierovú.

Obe významné vedecké osobnosti sú držiteľkami mnohých vedeckých vyznamenaní a chýba im už len Nobelova cena. Americká biochemička, profesorka na Kalifornskej univerzite v meste Berkley, J. A. Doudná bola vedúcou osobnosťou pri vývoji CRISPR/Cas9 technológie predurčenej na editovanie genetickej informácie baktérií. Francúzska mikrobiologička, genetička, profesorka a riaditeľka Ústavu Maxa Plancka pre infekčnú biológiu v Berlíne E. M. Charpentierová prispela k odhaleniu úlohy nekódujúcej RNA pri fungovaní CRISPR/Cas9 systému. Obidve vedkyne sa dlhodobo zaoberali štúdiom imunitnej obrany baktérií a keď pred rokom 2012 zistili, že vedecky skúmajú rovnakú problematiku, spojili svoj intelektuálny a vedeckovýskumný potenciál a výsledkom ich spolupráce bol objav techniky CRISPR/Cas9, ktorá využíva bakteriálne enzýmy, kontrolujúce mikrobiálnu imunitu, pri programovateľnom editovaní génov. S novou technológiou oboznámili vedeckú obec prostredníctvom publikácie v prestížnom vedeckom časopise Science v roku 2012. O rok neskôr, ako obidve autorky predstavili svetu prevratnú technológiu, ocenila ich prínos aj vedecká komunita a metóda CRISPR/Cas9 sa dostala do výberu časopisu Science pre objav, ktorý znamenal najväčší prelom roka. Ďalšou významnou osobnosťou, ktorá prispela k využívaniu CRISPR/Cas9 v prospech človeka, ale neskôr aj pri praktickom využívaní pri šľachtení rastlín a živočíchov, je čínsko-americký biochemik, nositeľ veľkého počtu vedeckých ocenení, pracujúci na Massachusettskom Technologickom ústave, profesor Feng Zhang. Profesor biochémie F. Zhang optimalizoval CRISPR/Cas9 systém tak, aby bol vhodný aj pre editovanie ľudských buniek, čím otvoril cestu pre jej praktickú aplikáciu v medicíne.

Enzymatický komplex CRISPR/Cas9 odborníci tiež nazývajú editorom a niektorí nadšenci hovoria o revolučnom nástroji v rukách genetikov, ktorý môže „rozkolísať“ svet. Technika CRISPR/Cas9, vhodná na zámerné zásahy do dedičnej informácie, sa síce začala vyvíjať od roku 2007, avšak oficiálnu premiéru, ako sme už spomenuli, mala vďaka dvom fenomenálnym ženám v roku 2012. Odvtedy sa CRISPR/Cas9 považuje za zázračný nástroj medicíny budúcnosti, ktorý pri editovaní DNA „pracuje“ s chirurgickou presnosťou.

Ako prebieha editovanie/„opravovanie“ génov?

Enzymatický komplex CRISPR/Cas9 sa naviaže na poškodené miesto DNA (sekvenciu nefunkčného génu), vystrihne kus sekvencie a nahradí ju za inú. Vedci dokonca môžu „naprogramovať“ komplex CRISPR/Cas9 tak, aby najprv sám našiel problematickú sekvenciu DNA a narušil ju, alebo aby na určené miesto DNA vniesol cudziu DNA, a tak zámerne „brzdil“, alebo aj „stimuloval“ aktivitu génov. Pomocou krátkeho reťazca, tzv. navádzacej ribonukleovej kyseliny (angl. guide RNA, gRNA) vyhľadá komplex CRISPR/Cas9 poškodené miesto v dedičnej informácii a pomocou „genetických nožníc“ – enzýmu Cas9 ho môže vystrihnúť a vniesť správny gén.

Ako prebieha editovanie/„opravovanie“ génov?

Prečo je editovanie DNA dôležité?

Molekulu ľudskej DNA, nesúcu genetickú informáciu, možno porovnať k veľmi dlhej vete. Pozostáva z 3,2 miliardy „písmen“, resp. základných stavebných kameňov – nukleotidov. V jadre jedinej ľudskej bunky je ukrytá DNA dosahujúca až 2 m. Ak píše človek dlhú vetu, ľahko sa môže pomýliť a urobiť chybu. A to sa občas stáva aj s genetickou informáciou. Dôsledkom ľudskej chyby vo vete, môže byť skutočnosť, že si čitateľ nesprávne vyloží a interpretuje jej význam. Podobný môže byť aj dôsledok chyby, ktorá sa objaví v genetickej informácii. Našťastie je tu jedinečná technika CRISPR/Cas9, ktorá ich dokáže napraviť. Pomocou editovania génov vedci dokážu vystrihnúť z „vety“ – molekuly DNA jedno „slovo“ – sekvenciu predstavujúcu konkrétny gén a preniesť ho inde, prípadne dokážu to „slovo“ z DNA úplne vymazať. Genetický nástroj CRISPR/Cas9 môže teda fungovať, buď ako molekulové nožnice, alebo guma.

Koncom októbra 2017 sa ukázalo, že komplex CRISPR/Cas9 umožňuje vedcom pracovať s genetickou informáciou obsiahnutou v DNA nielen na úrovni „slov“ – sekvencii (kúskov) DNA predstavujúcich gény, ale sa dá využiť aj na modifikáciu jednotlivých „písmen“ – báz DNA. Odborníkom sa podarilo vyvinúť nástroj (v súčasnosti nazývaný CRISPR 2) , ktorý sa nazýva editor báz. Ak sa nachádza akákoľvek zo štyroch báz (adenín – A, guanín – G, cytozín – C a tymín – T) na zlom/nesprávnom mieste „slova“ alebo „vety“, spôsobuje poruchy, ktoré sa môžu prejaviť napr. nejakou dedičnou chorobou. Editor báz umožňuje meniť ich atómovú štruktúru, a tak s bázami manipulovať a zamieňať jednu bázu za druhú.

Spontánne výmeny génov v prírode a v pionierskych časoch génového inžinierstva

Pôvodne sa uskutočňovala výmena génov medzi organizmami toho istého druhu prirodzene v rámci evolúcie, a to väčšinou náhodne. V 90. rokoch 20. storočia sa začali uplatňovať laboratórne techniky genetického inžinierstva, zamerané na tvorbu geneticky modifikovaných organizmov (GMO). Metóda prenosu génov z jedného organizmu na iný, tzv. transgenóza, síce umožnila vsunutie žiadaného génu medzi ostatné gény geneticky upravovaného organizmu, avšak bola nepresná. V pionierskych časoch génového inžinierstva sa síce genetici snažili napraviť chyby prírody, ale často odborníci „triafali naslepo“. Pri génovej terapii sa do nedávna pri „oprave“ poškodeného génu v bunkách človeka postihnutého dedičnou chorobou odborníci nechtiac ocitli v absurdnej situácii, pretože nedokázali presne nahradiť nefunkčný gén za funkčný/nepoškodený. Často ponechali poškodený gén na pôvodnom mieste a k nemu len pridali/prilepili funkčný gén. Nad miestom, kam vsunuli nový gén, tak nemali dostatočnú kontrolu. Mohlo dôjsť aj k tomu, že vnesený gén sa náhodne zabudoval na miesto, kde vážne narušil genetickú informáciu inaktiváciou iných génov (napr. tumor supresorových) alebo aktivoval premenu protoonkogénov na onkogény, a tak vyvolal rakovinu. V roku 2000 napríklad tím francúzskych lekárov oznámil úspešné ukončenie génovej terapie dvanástich chlapcov trpiacich na ťažkú dedičnú nedostatočnosť imunitného systému pomocou prenosu nepoškodeného génu. Chlapcom sa síce imunita obnovila, ale u troch prepukla po niekoľkých rokoch leukémia. Na vine bolo zabudovanie funkčného génu na nesprávne miesto. Občas sa porovnávajú staršie metódy genetického inžinierstva k počítaču, ktorý je potrebné pri spúšťaní nového softwaru prestavať a preinštalovať. Technológia CRISPR/Cas9, ktorú novinári premenovali na CRISPR (podľa toho, ako ju vedci používali v laboratórnom žargóne), možno považovať za génový software. CRISPR sa môže ľahko programovať použitím krátkeho reťazca gRNA. Pomocou technológie CRISPR/Cas9 sa genetické manipulácie posúvajú presnosťou a rýchlosťou na kvalitatívne vyššiu úroveň, pričom sa celý postup modifikácií genómu organizmov podstatne zjednodušuje a zlacňuje, čo je dôležité aj z ekonomického hľadiska.

Prelomové úspechy v medicíne

Technológia CRISPR/Cas9 poskytla ľudstvu veľa fantastických a dovtedy nepredstaviteľných prínosov. Medzi najvýznamnejšie treba spomenúť prenos „zdravej“/nepoškodenej DNA do DNA rakovinových buniek u tzv. beznádejných pacientov, u ktorých klasická liečba rakoviny už nezaberala.

Pravdepodobne najvýznamnejšou terapiou využívajúcou tento nástroj je experimentálna liečba rakoviny prostredníctvom tzv. imunoterapie. CRISPR/Cas9 sa využíva v imunoonkológii pri preprogramovaní imunitných buniek tak, aby rozpoznávali len nádorové bunky a atakovali ich, pričom aby si gény zdravých buniek „nevšímali“.

Medzi úspechy treba zaradiť aj prekvapivú a kontroverznú opravu poškodeného génu realizovanú v Číne priamo v ľudskom embryu. (Poznámka: Takéto experimenty sa samozrejme môžu realizovať len s podmienkou, že sa nesmú ľudské embryá modifikované technológiou CRISPR/Cas9 implantovať do maternice, čo čínski vedci nerešpektujú a obchádzajú). Čínsky vedec Che Ťien-Kchuej zašiel ešte ďalej a tajne bez povolenia a rešpektovania základných etických princípov „vytvoril“ pomocou CRISPR/Cas9 geneticky upravené dvojičky. Na šťastie sú obidve dievčatká zdravé.

Za zmienku stojí aj tvorba umelého/syntetického genómu, pivných kvasiniek Saccharomyces cerevisiae, ktorú možno prirovnať k začiatku cesty vedúcej k „umelému životu“. (Pripomeňme si, že sa doteraz podarilo umelo vytvoriť/syntetizovať len baktériu).

Vedcom sa tiež podarilo pomocou CRISPR/Cas9 vrátiť zrak laboratórnemu potkanovi, ktorý trpel na vrodenú poruchu sietnice.

Prínosom pre medicínu je využitie CRISPR/Cas9 ako tzv. cieleného antibiotika, ktoré zničí len patogénne baktérie vyvolávajúce choroby a ponechá bez poškodenia ostatné baktérie, ktoré sú pre ľudský organizmus prospešné. Tzv. crisprové antibiotiká možno využiť v boji proti baktériám, ktoré sa stali rezistentné na tradičné antibiotiká, napr. akými sú β-laktamové antibiotiká, medzi ktoré patrí aj penicilín.

Využitie CRISPR/Cas9 umožnilo dosiahnuť prelom v boji proti AIDS, pretože sa touto technikou podarilo eliminovať vírus HIV zabudovaný do genetického materiálu napadnutých ľudských buniek. Okrem toho dosiaľ získané výsledky potvrdzujú, že CRISPR/Cas9 predstavuje účinný spôsob ako obmedziť replikáciu herpetických vírusov v ľudských bunkách.

Prínos pre poľnohospodárstvo

Spôsob odstraňovania, pridávania alebo zamieňania úsekov DNA pomocou CRISPR/Cas9 je prísľubom aj pre inovácie v oblasti poľnohospodárstva. Pri porovnávaní s klasickými i modernejšími šľachtiteľskými metódami sa podarilo vo viacerých významných štúdiách potvrdiť, že editovanie DNA je rýchlalacná metóda vhodná na získavanie kvalitných genotypov nielen pre rastlinnú, ale aj živočíšnu výrobu. Ako nová šľachtiteľská metóda CRISPR/Cas9 zabezpečuje zvyšovanie úrodnosti, odolnosti voči chorobám, tolerancie k suchu, ako aj ďalších parametrov využívaných pri skvalitňovaní poľnohospodárskych plodín. V živočíšnej výrobe sa napr. perspektívne ráta s využitím CRISPR/Cas9 pri získavaní hydiny rezistentnej voči vtáčej chrípke. Pokrok na poli úpravy genetickej informácie rastlín v súčasnosti niektorí odborníci nazývajú „treťou poľnohospodárskou revolúciu“, pričom zdôrazňujú, že technológiu CRISPR/Cas9 možno bezpečne využívať popri existujúcich šľachtiteľských technológiách. CRISPR/Cas9 tiež urýchlila a zjednodušila zámernú tvorbu vybraných transgénnych živočíchov využívaných nielen v poľnohospodárstve, ale aj na výskumné účely pri optimalizácii tzv. modelových organizmov.

Na záver možno konštatovať, že CRISPR/Cas9 dáva genetikom do rúk jedinečný nástroj na opravu dedičnej informácie najrôznejších organizmov, počnúc baktériami, rastlinami a živočíchmi a končiac človekom. Vďaka presnosti CRISPR/Cas9 môžu odborníci eliminovať chyby, ku ktorým dochádzalo pri klasických génových manipuláciách, a tak otvoriť cestu pre nové možnosti manipulovania s génmi v oblasti humánnej medicíny. Keďže táto revolučná metóda predstavuje v súčasnosti najjednoduchší a najlacnejší spôsob, ako zámerne meniť/opravovať DNA, niet pochýb o tom, že editovanie DNA pomocou CRISPR/Cas9 zásadne zmení nielen zdravotníctvo a poľnohospodárstvo, ale možno aj ďalší osud ľudstva.

 

Autor: prof. RNDr. Eva Miadoková, DrSc. pre redakciu Veda na dosah, Katedra genetiky Prírodovedeckej fakulty Univerzity Komenského v Bratislave

Foto: z archívu prof. RNDr. Evy Miadokovej, DrSc.

Redigovala a uverejnila: VČ

 

Viac článkov o genetike od profesorky Evy Miadokovej na portáli VEDA NA DOSAH

Hore
výtvarná súťaž TVT 2019
Aurelium - centrum vedy
Vedec roka 2018
QUARK
Prechod VK na VND - leto
fotografická súťaž TVT 2019
Noc výskumníkov 2019
kúpa časopisov jún 2016
Atmosféra počas TVT 2018
TVT 2019
Publikácie Veda v CENTRE
TVT 2018 články
TAG História
TAG Rozhovor
TAG Publikácia
TAG Zaujímavosti vo vede
TAG Centrum vedy
TAG Mládež
TAG QUARK
TAG Ženy vo vede
TAG Spektrum vedy
TAG Slovenská veda
banner záhrady
Zaujímavosti vo vede
Polyméry nie sú len plasty, ale aj prírodné materiály, ako škrob či bielkoviny.
Zistite viac