Det kan låta som ett spannmålsmärke men CRISPR står för att vara en av de viktigaste revolutionerna inom genetik under vår livstid. Under de senaste månaderna har berättelser dykt upp om forskare som använder CRISPR-Cas-proteiner för att effektivt redigera de genetiska sekvenserna av DNA, döda HIV, äta Zika som Pac-man och lagra en GIF i DNA från bakterier .
Trots CRISPRs potential är det ett oerhört kontroversiellt förfarande. Det kräver att DNA-strängar skärs och ändras fullständigt för att förändra en persons genetiska smink, och två nya studier har kopplat sådan genredigerande teknik till en ökad cancer.
Tidningarna, en efter Novartis och den andra av Karolinska Institute , publicerad iNaturmedicin, drar slutsatsen att genterapitekniker kan försvaga en persons förmåga att bekämpa tumörer och kan ge upphov till cancer, vilket väcker oro för säkerheten vid CRISPR-baserad genterapi.
Låt oss dock säkerhetskopiera lite.
Se relaterade Vad är stamceller och hur kan de ändra medicin? Huvudtransplantation: Kontroversiellt förfarande framgångsrikt genomfört på lik; live förfarande överhängande
De två artiklarna fokuserade på genen p53. Tidigare forskning har visat att vissa humana tumörer inte kan utvecklas om p53-genen fungerar som den ska. Som ett resultat fungerar p53 som en naturlig försvarsmekanism för att skydda genomet från den typ av förändringar som gjorts av CRISPR-Cas9. När CRISPR-Cas9 används för att redigera en persons genetiska smink hoppar p53-genen till sitt försvar och dödar effektivt de redigerade cellerna genom att få dem att självförstöra. Det är faktiskt den här genen som har försenat utvecklingen och effektiviteten av CRISPR-tekniken i ett antal försök.
I fall där CRISPR-Cas9 framgångsrikt har gjort ändringar av en persons genom, antyder det att den specifika cellens p53-gen är felaktig eller dysfunktionell. Detta kan i sin tur kopplas till att kroppen är mindre kapabel att bekämpa cancer. I synnerhet kan en felaktig p53 orsakaceller växer okontrollerat och blir cancerösa, och har kopplats till fall aväggstocks-, tjocktarms- och ändtarmscancer.
Genom att plocka celler som har lyckats reparera den skadade genen som vi tänkt fixa, kan vi oavsiktligt också plocka celler utan funktionell p53, studerar författaren Emma Haapaniemi från Karolinska Institutet förklarade . Om de transplanteras till en patient, som vid genterapi för ärftliga sjukdomar, kan sådana celler ge upphov till cancer, vilket väcker farhågor för säkerheten vid CRISPR-baserade genterapier.
Det bör dock noteras att det inte är detsamma som att orsaka cancer att ha en koppling till cancer och resultaten i dessa två studier är vad som kallas preliminärt, vilket innebär att ytterligare arbete behövs för att antingen förstärka eller avfärda resultaten. Forskarna tar till och med snabbt avstånd från att säga att CRISPR är farligt. Istället tar de upp giltiga frågor och rekommenderar företag och forskare som stormar framåt med kliniska prövningar att vara medvetna om länken.
Studierna fokuserar också på en mycket speciell typ av CRISPR-redigeringsteknik - Cas-9-proteinet som används för att korrigera sjuka DNA genom att infoga friskt, redigerat DNA - och ytterligare arbete behövs för att se om andra former av genredigering ger liknande problem. I ett försök att ta itu med liknande, tidigare kritik rapporterade forskare från Salk Institute nyligen en lösning. I stället för att redigera gener, skulle deras så kallade epigenetiska (eller ovanför genen) CRISPR-metoden se gener vara på eller av snarare än att klippas ut.
Genom att modifiera epigenomen kunde forskare kontrollera genens beteende utan att ändra något DNA direkt; genmodifiering snarare än genredigering. I försök på möss vände forskarna symtom på njursjukdom, typ 1-diabetes och en form av muskeldystrofi. Det har också potential för att utrota Alzheimers.
Vad är CRISPR-Cas9?
CRISPR-Cas9 är ett genomredigeringsverktyg som kan klippa DNA på ett riktat sätt, vilket gör det möjligt för forskare att korrekt redigera livets byggstenar. Du kommer sannolikt se det nämnas tillsammans med den lite mindre berömda duon CRISPR-Cas1 och CRISPR-Cas2 - som båda skar skar bitar av DNA i en bakteriers eget genom (mer om det senare).
Cas9 observerades faktiskt först på 1980-talet som en del av encelliga bakteriers försvarsmekanismer, vilket säkerställer att cellerna kan ta bort oönskade inkräktare. Forskare har funnit att de, genom att anpassa tekniken, kan rikta sig genomssekvenser med oöverträffad hastighet, precision och noggrannhet.
Bild CRISPR-Cas9 som en sökning och ersätt sökning i ett datordokument, bara i stället för ord redigerar du genetiska sekvenser.Att modifiera DNA noggrant är en vetenskaplig helig gral och potentialen är enorm. Det kan användas för att utrota sjukdomar - även ärftliga som cystisk fibros, sigdcellanemi och Huntingtons kan bli ett minne blott.
Namnet CRISPR är en akronym för de mindre iögonfallande grupperade regelbundet korta palindromiska upprepningarna. Cas-delen hänvisar till associerad CRISPR.
CRISPR-Cas9: Hur fungerar det?
CRISPR är en del av vissa bakteriers naturligt förekommande försvar. När en bakterie upptäcker ett invaderande virus kan den kopiera och blanda segment av främmande DNA till sitt eget genom runt CRISPR. Cas9 skär, medan Cas1 och Cas2 sätter in det yttre DNA i cellens genom.
hur man speglar iPhone till bärbar dator
Nästa gång viruset upptäcks har CRISPR en exakt kopia av genomssekvensen att se upp för, det är där Cas-proteinet kommer in: det kan skära upp DNA och inaktivera oönskade gener med otrolig noggrannhet.
Eller, som Carl Zimmer förklarar : När CRISPR-regionen fylls med virus-DNA blir det ett molekylärt mest önskat galleri som representerar de fiender mikroben har stött på. Mikroben kan sedan använda detta virala DNA för att göra Cas-enzymer till precisionsstyrda vapen. Mikroben kopierar det genetiska materialet i varje distansorgan till en RNA-molekyl. Cas-enzymer tar sedan upp en av RNA-molekylerna och vaggar den. Tillsammans driver virus-RNA och Cas-enzymer genom cellen. Om de stöter på genetiskt material från ett virus som matchar CRISPR-RNA, hakar RNA fast. Cas-enzymerna hugger sedan DNA: t i två delar, vilket förhindrar att viruset replikeras.
År 2012 publicerade forskare från University of California, Berkeley, en banbrytande papper visar att de kunde programmera om CRISPR-Cas immunförsvaret för att redigera gener efter behag. CRISPR-Cas9 använder ett specifikt Cas-protein och ett hybrid-RNA som kan identifiera och redigera vilken gensekvens som helst. Möjligheterna är enorma.
Kort sagt listar CRISPR de DNA-sekvenser som ska riktas, och sedan skär Cas9. Forskare behöver bara programmera CRISPR med rätt kod, och Cas9 gör resten.
Detta kan också gälla för felaktiga gener - sektioner som för närvarande orsakar problem kan tas bort med CRISPR-Cas9 och sedan ersättas med hälsosam genetisk kod, vilket teoretiskt löser problemet.
CRISPR-Cas9: Har det använts på människor?
Ja, i Kina . Med hjälp av mänskliga embryon från en fertilitetsklinik försökte forskare använda CRISPR-Cas9 för att redigera en gen som orsakar betatalassemi i varje cell. Det bör noteras att de använda givarembryona inte var livskraftiga och inte kunde ha resulterat i en levande födelse.
I vilket fall som helst misslyckades det och misslyckades ganska dåligt: 86 embryon injicerades, och efter 48 timmar och cirka åtta celler odlade överlevde 71 och 54 av dem testades genetiskt. Bara 28 hade skarvats framgångsrikt och mycket få innehöll det genetiska materialet som forskarna avsåg.Om du vill göra det i normala embryon måste du vara nära 100%, ledande forskare Berättade Jungiu HuangNatur . Det är därför vi slutade. Vi tycker fortfarande att det är för omoget.
Dessutom är det extremt troligt att mer odokumenterad skada har skett. Som den New York Times förklarar :De kinesiska forskarna påpekar att genredigering i sitt experiment nästan säkert orsakade mer omfattande skador än de dokumenterade; de undersökte inte hela genomet i embryocellerna.
Som ni kan föreställa er orsakade det en enorm mängd kontroverser i vetenskapssamhället.
I november 2016 , blev en annan grupp kinesiska forskare de första som använde CRISPR-Cas9 på en vuxen människa och injicerade en patient som lider av lungcancer med patientens immunceller modifierade av CRISPR för att inaktivera PD-1-proteinet, vilket teoretiskt får patientens kropp att slå tillbaka .
Sedan, i en studie publicerades den 3 augusti redigerade forskare framgångsrikt mänskliga embryon och tog bort det felaktiga DNA-segmentet som kan leda till ärftlig hjärtsjukdom. Det var en milstolpe och gav möjligheter att potentiellt förhindra cirka 10 000 genetiska störningar med enstaka mutationer (dvs. sjukdomar orsakade av en enda felaktig gen) hos framtida människor.
CRISPR-Cas9 och etik
Även om de kinesiska forskarna använde embryon som inte skulle utvecklas till liv, finns det verkliga etiska farhågor om att experimentera på mänskliga embryon - faktiskt bara en månad innan den kinesiska forskningen publicerades. en grupp amerikanska forskare uppmanade världen att inte göra det .
En del av detta beror på hur omogen tekniken är - kom ihåg att den bara har använts aktivt sedan 2012, och det skulle vara förvånande om den var helt mogen vid denna tidpunkt. Forskare varnade för att det var för missförstått och farligt att använda på människor vid denna tidpunkt, och den kinesiska forskningen bekräftar verkligen denna oro. Även om det fungerade felfritt finns det farhågor om att oförutsedda konsekvenser kan uppstå över generationer.
Men även om det var 100% säkert och framgångsrikt finns det andra etiska problem: medan ingen argumenterar för att vi ska hålla tillbaka potentialen att utplåna mördare genetiska sjukdomar som Huntingtons och cystisk fibros, erbjuder CRISPR-Cas9 potentiellt möjligheten att förändras något om en person. Så länge den genetiska sekvensen identifieras kan den i teorin redigeras.
Det är en sak att ta bort livpåverkande sjukdomar före födseln - det är en helt annan sak för föräldrar att kunna utforma sina barn så att de blir starkare, snabbare eller snyggare. Även om du accepterar att detta är något som människor borde få göra, är chansen stor att detta kommer att kommersialiseras kraftigt, så att endast de rika skulle ha råd med alla de extra livsfördelar som detta skulle ge, vilket massivt påverkar ojämlikheten.
CRISPR-Cas9: Vad har hittills gjorts?
Naturligtvis är dessa etiska frågor en miljon mil borta när det enda inspelade embryonala mänskliga experimentet orsakade en så hög profil bakslag. Men CRISPR-Cas9 visar nu extremt lovande resultat i mindre tester.
Exempel inkluderar Förebyggande av HIV-infektion i mänskliga celler , bota genetiska mussjukdomar och ett par apor födda med riktade mutationer .
CRISPR framträder också som ett effektivt sätt att lagra data i DNA. I mars 2017 publicerade ett par forskare vid New York Genome Center en rapport i Vetenskap journal, som beskriver metoder för att lagra komprimerade filer i DNA-molekyler. Med hjälp av en algoritm för att översätta filerna till en binär kod som kan mappas på DNA: s nukleotidbaser, kunde forskarna koda totalt sex filer: en akademisk tidskrift från 1948, en Pioneer-plack, ett operativsystem, en virus, filmen från 1895Ankomst av ett tåg till La Ciotat station... och ett presentkort på $ 50 från Amazon.
Några månader senare, ett team av forskare vid Harvard Medical School kodade ett looping-videoklipp in i DNA i en levande E.Coli-bakteriecell . Målet är att utveckla ett system för tillverkningmolekylära inspelare - DNA som kan spela in sin egen information från sin omgivning. Detta kan användas i allt från att övervaka markföroreningar till att revolutionera vår förståelse av neurologisk aktivitet.
Som en del av DARPA: s Safe Genes-program inkluderar de sju teamen enteam ledt av Dr. Amit Choudhary vid Harvard Medical School som utvecklar sätt att kontrollera malariaspridande myggor, ett andra Harvard Medical School-team som vill använda CRISPR för att upptäcka och vända mutationer orsakade av strålning. Ett North Carolina State University-team som leds av Dr. John Godwin syftar till att rikta gendrivsystem hos råttor för att hantera invasiva arter, medan University of California, Berkeley vill använda CRISPR för att rikta Zika- och ebolavirus. Den fullständiga listan över projekt och teaminformation finns på DARPA: s webbplats.
På senare tid delade strukturbiologen Osamu Nureki från University of Tokyo otroliga bilder av CRISPR-redigering av DNA i realtid, vilket utgjorde en del av hans lags senaste tidning, publicerad i tidskriften. Naturkommunikation . Klippet nedan visar CRISPR-sökande DNA innan det görs. Du kan se att en del av DNA kopplas bort.
Filmen visades ursprungligen för deltagare i CRISPR 2017 konferens som ägde rum i juni. Dokumentet lämnades in efter denna konferens och publicerades den 10 november.
CRISPR-Cas9: Kommer det till Storbritannien?
Ja. Stamcellsforskare i UK sökte tillstånd att modifiera mänskliga embryon i ett försök att förstå tidig mänsklig utveckling och minska sannolikheten för missfall. I februari 2016,Human Fertilization and Embryology Authority (HFEA) beviljade tillstånd.
CRISPR-Cas9: Varför är CRISPR dåligt?
Som tidigare nämnts kan Cas9 bara känna igen genetiska sekvenser på cirka 20 baser, vilket innebär att längre sekvenser inte kan riktas in.Mer signifikant, enzymet skär fortfarande ibland på fel plats. Att ta reda på varför detta är kommer att bli ett betydande genombrott i sig - att fixa det blir ännu större.
Sedan är det naturligtvis problemet att CRISPR inte fungerade väldigt bra i mänskliga embryon, och dess nyare kopplingar till cancer.
CRISPR-Cas9: Vem äger det?
Det är inte en enkel fråga att svara på. Det är föremål för en pågående patentkamp - överraskande, med tanke på att CRISPR förekommer naturligt i vissa bakterier.
Teknikgranskningförklarar det, även om CRISPR-Cas9 först beskrevs iVetenskap2012 av Jennifer Doudna från UC Berkeley vann Feng Zhang från Broad Institute ett patent på tekniken genom att skicka in labanteckningsböcker som bevisar att han hade uppfunnit den först.
Först att registrera patenträttigheter innebär att detta bör beviljas Doudna, men beslutet kunde ha beslutats baserat på först att uppfinna regler, vilket skulle ha gynnat Zhang. I slutet, ärendet löstes i februari 2017 , när US Patent Trial and Appeal Board beslutade att UC Berkeley skulle beviljas patentet för användning av CRISPR-Cas9 i vilken levande cell som helst, medan Broad skulle få det i vilken eukaryot cell som helst - det vill säga celler i växter och djur.
Bilder: Petra B Fritz , VeeDunn , NIH Image Gallery och Steve Jurvetson används under Creative Commons
