Kas yra CRISPR?

Įsivaizduokite ateitį, kurioje tėvai gali kurti specialius kūdikius, pasirinkdami savo negimusių vaikų ūgį ir akių spalvą. Tiesą sakant, įsivaizduokite, kad visas savybes galima pritaikyti pagal savo pageidavimus: naminio augintinio dydį, augalų ilgaamžiškumą ir kt.

Tai skamba kaip distopinio mokslinės fantastikos romano fonas. Vis dėlto kai kas iš to jau vyksta.

Nuo pat pirmojo atradimo 2012 m. Mokslininkai stebėjosi CRISPR (dar vadinamo „Cas9“ arba „CRISPR-Cas9“) programomis.

CRISPR gali iš esmės pakeisti tai, kaip mes sprendžiame kai kurias didžiausias pasaulio problemas, tokias kaip vėžys, maisto trūkumas ir organų transplantacijos poreikiai. Naujausiose ataskaitose netgi nagrinėjama, kaip ji naudojama kaip labai efektyvi ligų diagnostikos priemonė. Tačiau, kaip ir naudojant bet kokią naują technologiją, tai taip pat gali sukelti naujų nenumatytų problemų.

DNR – gyvenimo kodo pakeitimas neišvengiamai sukels daugybę svarbių pasekmių. Tačiau visuomenė ir pramonė negali dalyvauti šiame pokalbyje, nesuprasdami CRISPR pagrindų.

Šiame paaiškinime mes pasineriame į CRISPR nuo paprasto paaiškinimo, kas tai yra, iki jo taikymo ir apribojimų.

TURINYS

1. Kas yra CRISPR?
2. Programos
3. Apribojimai
4. Ginčai
5. CRISPR ateitis

Kas yra CRISPR?

CRISPR yra apibrėžiantis bakterijų genetinio kodo ir jo imuninės sistemos bruožas, veikiantis kaip gynybinė sistema, kurią bakterijos naudoja apsisaugodamos nuo virusų atakų. Jį taip pat naudoja Archaea karalystės organizmai (vienaląsčiai mikroorganizmai).

Akronimas „CRISPR” reiškia Cžvalus Rpvz Aštarpais Shortas Palindrominis Repeats. Iš esmės tai yra trumpų pasikartojančių DNR sekų serija su „tarpikliai“Sėdi tarp jų.

Bakterijos naudoja šias genetines sekas, norėdamos „prisiminti“ kiekvieną konkretų virusą, kuris jas puola.

Jie tai daro įtraukdami viruso DNR į savo bakterijų genomą. Ši virusinė DNR atsiduria kaip tarpinės CRISPR sekoje. Šis metodas suteikia bakterijoms apsaugą ar imunitetą, kai konkretus virusas vėl bando pulti.

Kartu su CRISPR yra genai, kurie visada yra šalia, vadinami Cas (CRISPR-kaipdraugiškas) genai.

Suaktyvėję šie genai gamina specialius baltymus, vadinamus fermentais, kurie, atrodo, išsivystė kartu su CRISPR. Šių Cas fermentų reikšmė yra jų gebėjimas veikti kaip „molekulinės žirklės“, kurios gali supjaustyti į DNR.

Apibendrinant: gamtoje virusui įsiveržus į bakterijas, jo unikali DNR yra integruota į CRISPR seką bakterijų genome. Tai reiškia, kad kitą kartą virusui užpuolus, bakterijos tai prisimins ir išsiųs RNR ir Cas surasti ir sunaikinti virusą.

Nors yra ir kitų Cas fermentų, gautų iš bakterijų, kurie puola bakterijas išpjauna virusus, Cas9 yra geriausias fermentas tai padaryti gyvūnams. Plačiai žinomas terminas CRISPR-Cas9 reiškia Cas veislę, naudojamą gyvūnų (ir žmonių) DNR pjaustyti.

Panaudodami šią technologiją, mokslininkai pridėjo naują žingsnį: po to, kai CRISPR-Cas9 nutraukė DNR, naujoje DNR seka, turinti „fiksuotą“ geno versiją, gali įsitaisyti naujoje erdvėje. Arba pjūvis gali iš viso „išmušti“ tam tikrą nepageidaujamą geną, pavyzdžiui, geną, sukeliantį ligas.

Vienas iš būdų galvoti apie CRISPR-Cas9 yra palyginti jį su Rasti ir pakeisti funkcija „Word“: ji suranda genetinius duomenis (arba „žodį“), kuriuos norite ištaisyti, ir pakeičia juos nauja medžiaga. Arba, kaip savo knygoje įvardija CRISPR pradininkė Jennifer Doudna Kūrybos plyšys: genų redagavimas ir neįsivaizduojama galia valdyti evoliuciją, CRISPR yra kaip a Šveicarijos armijos peiliukas, su skirtingomis funkcijomis, atsižvelgiant į tai, kaip mes norime ją naudoti.

CRISPR tyrimai judėjo taip greitai, kad jau peržengė pagrindinį DNR redagavimą. 2017 m. Gruodžio mėn. Salk institutas sukūrė „neįgaliųjų“ sistemos CRISPR-Cas9 versiją, galinčią įjungti arba išjungti tikslinį geną visiškai neredaguojant genomo. Toliau toks procesas gali palengvinti susirūpinimą dėl nuolatinio genų redagavimo pobūdžio.

Kaip tai veikia

Tai yra 3 pagrindiniai žaidėjai, padedantys „CRISPR-Cas9 tech“ atlikti savo darbą:

1. Vadovas RNA: RNR (genetinis DNR pusbrolis) gabalas, kuris nustato tikslinį geną. Tai sukonstruota laboratorijoje.
2. Su CRISPR susijęs baltymas 9 (Cas9): „žirklės“, kurios išpjauna nepageidaujamą DNR
3. DNR: norimas DNR gabalas, kuris įterpiamas po pertraukos

Žemiau mes iliustruojame, kaip šios dalys sujungiamos, kad sukurtų galimą terapiją.

Spustelėkite norėdami padidinti.

Kreipiamoji RNR yra „GPS koordinatės“ ieškant norimo redaguoti DNR gabalo ir nulio nukreipiant į tikslinę geno dalį. Aptikęs Cas9, žirklės, padaro dvigubą DNR pertrauką, o jos vietą užima norima įterpti DNR.

Poveikis tam yra didžiulis.

Taip, ši technologija sutrikdys gydymą. Be to, tai taip pat gali paversti viską nuo valgomo maisto iki chemikalų, kuriuos naudojame kaip kurą, nes jie taip pat gali būti sukurti naudojant genų technologijas.

Feng Zhang, mokslų daktarė, iš MIT ir Harvardo plataus instituto, aprašė CRISPR naudingą darželio rimą. Mes galime įsivaizduoti tam tikrą DNR seką, kuri yra fiksuota tokiu būdu:

Twinkle Twinkle Didelis Žvaigždutė → Žvilgčioti Mažai Žvaigždė

Šiame procese:

1. Vadovaujanti RNR nustato klaidą ar mutaciją: žodis „didelis“.
2. Cas9 fermentas daro pertrauką prieš ir po žodžio „didelis“.
3. Bioinžinerijos automobilis įterpia teisingą DNR dalį, šiuo atveju – žodį „Mažas“.

Pagrindiniai Crispro atradimo tyrėjai

CRISPR seka pirmą kartą buvo atrasta 1987 m. Daugiau nei po 20 metų, 2008 m., Mikrobiologas Luciano Marraffini su Šiaurės Vakarų universiteto Eriku Sontheimeriu parašė apibendrintą dokumentą apie CRISPR, tačiau tuo metu buvo atmestas dviejų mokslininkų pateiktas patentas dėl tyrėjų nesugebėjimas galutinai parodyti kokių nors konkrečių savo išvadų taikymo.

CRISPR funkcija ir jos neįtikėtinas potencialas bus atrastas tik po ketverių metų, 2012 m. Pagrindiniai žmonės, dalyvaujantys pradiniame bakterinės CRISPR-Cas9 sistemos funkcijos atradime, yra Jennifer Doudna, Kalifornijos universiteto (Berkeley) mokslų daktarė ir prancūzų mokslininkė. Emmanuelle Charpentier, daktarė. Strategiškai bendradarbiaudami šie tyrėjai padėjo pradėti naują biotechnologijų erą.

Kita svarbi figūra yra mokslų daktarė Feng Zhang, kuri 2013 m. Padėjo išsiaiškinti CRISPR terapines programas naudojant peles ir žmogaus ląsteles. Harvardo genetikas George’as Churchas, daktaras, taip pat prisidėjo prie ankstyvųjų CRISPR tyrimų su Zhang.

Šie keturi tyrėjai atliko svarbų vaidmenį kuriant labiausiai finansuojamus CRISPR terapinius startuolius, įskaitant „Editas Medicine“, „CRISPR Therapeutics“ ir „Intellia Therapeutics“. Visos trys šios bendrovės 2016 m. Pasirodė viešai ir yra vaistų atradimo / ikiklinikinio etapo metu, kai bando savo atitinkamus CRISPR terapinius kandidatus dėl įvairių žmogaus ligų.

Genų redagavimas prieš CRISPR

Prieš paskelbiant CRISPR kaip genų redagavimo metodas, šioje srityje dominavo dar dvi genų redagavimo technikos: Cinko pirštų nukleazės (ZFN) ir Transkripcijos aktyvatoriaus tipo efektoriaus nukleazės (TALEN). Tyrimo pastangos naudojant šias priemones vis dar vykdomos.

Kaip ir CRISPR, šie įrankiai gali sumažinti DNR. Nors paprastai juos naudoti ir naudoti yra sunkiau, šie įrankiai turi savo privalumų:

• ZFN yra lengviau pristatomas į pasirinktą geną.
• Atrodo, kad TALEN tikslumas yra didesnis nei CRISPR ir dėl genų redagavimo jie gali sukelti mažiau „netikslinių mutacijų“ (ty nenumatytų pasekmių).

Kiekvienas taip pat turi gyvybiškai svarbų gydymą.

Biotechnologijų kompanija „Cellectis“ naudoja TALEN genų redagavimo technologiją, kad būtų galima atlikti CAR-T terapiją leukemijai gydyti, o „Sangamo BioSciences“ gamina ZFN, kurie gali išjungti geną, kuris, kaip žinoma, yra pagrindinis ŽIV infekcijos atveju. Pažymėtina, kad kiekviena iš šių bendrovių turi pagrindines intelektinės nuosavybės teises į šiuos specifinius genų redagavimo metodus, todėl kitoms biotechnologijų įmonėms gali būti sunku naudoti šiuos įrankius.

Tuo tarpu CRISPR tikrai pavogė dėmesį vėlai dėl savo efektyvumo, lankstumo ir pigios kainos. Tikėtina, kad CRISPR gali susidurti su panašiomis IP problemomis – ir jau vyksta tam tikrų IP ginčų, tačiau, naudojant tokias didžiules šios sistemos programas, atrodo, kad kelių sričių tyrimai sparčiai juda į priekį.

CRISPR programos

Kiekviena pramonė gali panaudoti CRISPR kaip įrankį: ji gali sukurti naują vaistų terapiją žmonių ligoms gydyti, padėti ūkininkams auginti patogenams atsparius pasėlius, sukurti naujas augalų ir gyvūnų rūšis – o gal net sugrąžinti senas.

Su gyvūnais susiję tyrimai

Nuo pradinio CRISPR kaip genų redagavimo mechanizmo atradimo programų sąrašas sparčiai augo. Nors „gyvūnų modeliai“ (laboratoriniai gyvūnai) dar ankstyvosiose stadijose pateikė pagrindines įžvalgas, kaip mes galime manipuliuoti CRISPR.

Pelės ypač pasakė, kai kalbama apie CRISPR terapinį potencialą. Kadangi žinduoliai turi daugiau nei 90% mūsų žmogaus genų, pelės buvo naudojamos kaip idealūs tiriamieji.

Eksperimentai su pelėmis parodė, kad CRISPR gali išjungti defektinį geną, susijusį su Duchenne’o raumenų distrofija (DMD), slopinti mirtinų baltymų, susijusių su Huntingtono liga, susidarymą ir pašalinti ŽIV infekciją.

2015 m. Kinijos mokslininkai sukūrė du labai raumeningus biglius, išjungdami miostatinas genas, nukreipiantis normalų raumenų vystymąsi. Nesant genai, bigliai parodė „raumenų hipertrofiją“, sukurdami šunis, kurie buvo akivaizdžiai raumeningesni nei genetiškai nemodifikuoti.

Kiti CRISPR bandymai su gyvūnais buvo įvairūs: nuo genetiškai modifikuotų ilgaplaukių ožkų, skirtų didesniam kašmyrui gaminti, iki veislinių karvių veisimo, kad būtų išvengta skausmingo ragų nukirpimo proceso.

Su žmonėmis susiję tyrimai

Palyginti su tyrimais, kuriuose dalyvavo gyvūnai, CRISPR tyrimai, kurie redaguoja žmogaus DNR, juda lėčiau, daugiausia dėl etikos ir reguliavimo problemų.

Atsižvelgiant į nuolatinį žmogaus genomo keitimo pobūdį, FDA atsargiai kreipiasi į CRISPR. Kai kurie mokslininkai netgi pasiūlė moratoriumą CRISPR tyrimams, kol neturėsime daugiau informacijos apie galimą poveikį žmonėms.

JAV ir Europa

2018 m. Gegužės mėn. FDA nurodė CRISPR Therapeutics sustabdyti pirmųjų žmogaus CRISPR tyrimų bandymus, kol įmonė atsakys į klausimus apie jos gydymo ypatumus. Spalio mėn. FDA panaikino klinikinį sulaikymą ir priėmė CRISPR Therapeutics naują tyrimą dėl pjautuvo ląstelių ligos.

Maždaug tuo pačiu metu Pensilvanijos universiteto mokslininkai pradėjo tyrimą, kuriame įvertino CRISPR vartojimo saugumą pacientams, sergantiems išsėtine mieloma, melanoma ir sarkoma.

Europoje kitame CRISPR Therapeutics tyrime dėmesys buvo sutelktas į kraujo sutrikimą, vadinamą beta talasemija, dėl kurio nenormali raudonųjų kraujo kūnelių gamyba. Kartu su Bostone įsikūrusiais „Vertex Pharmaceuticals“, CRISPR Therapeutics oficialiai pradėjo pirmąjį beta-talasemijos terapijos tyrimą 2018 m. Rugsėjo mėn.

Nors šie tyrimai buvo novatoriški, jie nebuvo pirmieji, kurie naudojo CRISPR manipuliuodami žmogaus genetine medžiaga. 2017 m. Rugpjūčio mėn. Reprodukcinio biologo Shoukhrato Mitalipovo iš Oregono sveikatos ir mokslo universiteto vadovaujama komanda gavo privatų finansavimą, kad CRISPR-Cas9 būtų naudojama gyvybingų žmogaus embrionų mutacijai, sukeliančiai širdies raumenų sustorėjimą. Pakeisti embrionai laboratorijoje grįžo be 72% mutacijų (didesnė nei įprasta 50% paveldėjimo tikimybė).

Kai kurie kritikai teigia, kad embrionų genų redagavimas yra neetiškas, net jei redaguoti embrionai nėra skirti perduoti ir implantuoti. Šiuo metu tokio tipo bandymai negauna federalinio finansavimo, tačiau remiasi privačių donorų finansavimu.

Kinija

Kitoje pasaulio pusėje Kinijos tyrėjai veikia pagal kitokią reguliavimo sistemą. Kai kurie …