Jak funguje CRISPR

CRISPR, zkratka pro CRISPR-Cas9, je nástroj pro úpravu genomu, který vědcům umožňuje přesně řezat a upravovat sekvence DNA. Způsobil revoluci ve studiu genů, pomohl vylepšit úrodu a zlepšit zdravotní péči. Systém úpravy genů byl původně objeven u bakterií, kde omezuje infekce ořezáváním virové DNA. V práci oceněné Nobelovou cenou byl potom tento bakteriální obranný aparát kooptován vědci k návrhu nového přístupu k editaci genomu. „Je to opravdu jednoduchost, cena a snadnost použití, které rozšířily tento editační nástroj“, říká Alison Van Eenennaamová, genetička hospodářských zvířat z Kalifornské univerzity v Davisu, která používá CRISPR ke změně genetiky hospodářských zvířat. Nedávno byl CRISPR schválen k léčbě dvou krevních poruch a rané fáze testů odhalují jeho potenciál při léčbě dědičné slepoty. Zde je vše, co potřebujete vědět o této převratné technologii.

Co je CRISPR

„CRISPR“ je zkratka pro „shluky pravidelně rozmístěných krátkých palindromických repetic“. Popisuje vzorec sekvencí DNA v bakteriálních genomech, který pomáhá bakteriím bránit se virům.

„Krátké palindromické opakování“ odkazuje na sekvence, které se čtou stejně dopředu i dozadu, jako např. slova „kajak“, „rotor“, „madam“. DNA se skládá ze dvou párových řetězců stočených kolem sebe do šroubovice. DNA palindrom tedy odkazuje na řetězec písmen nebo bází DNA – A (adenin), C (cytosin), G (guanin) a T (thymin) – které jsou stejné, když se čtou dopředu na jednom řetězci a pozpátku na druhém.

Pokud například jedno vlákno čte „GATC“ v jednom směru, spárují se tyto báze DNA s „CTAG“ na opačném řetězci, protože G se vždy spáruje s C a A se vždy spáruje s T. Při zpětném čtení se CTAG stane původní sekvencí, GATC.

Tyto repetice jsou „pravidelně rozmístěny“, což znamená, že tyto oblasti CRISPR v genomu obsahují střídající se vzor palindromů se sekvencemi „spacerů“ vklíněnými mezi ně. Bakterie kooptují distanční sekvence z DNA napadajících virů a ukládají je do svých oblastí CRISPR, aby bojovaly proti budoucím infekcím. Tento systém se dá přirovnat k lidskému adaptivnímu imunitnímu systému, který podobně ukládá „paměť“ na předchozí infekce, aby odvrátil opakovaná setkání. Namísto používání imunitních buněk, jako to dělají lidé, používají bakterie CRISPR.

CRISPR RNA (crRNA) a Cas9

CRISPR DNA slouží jako trvalý záznam minulých infekcí, ale aby bakterie mohly tyto sekvence použít k zmaření virů, musí je přeměnit na příbuznou DNA, totiž RNA. Prostřednictvím procesu zvaného transkripce nejprve bakterie zkopírují jeden ze dvou řetězců DNA CRISPR do jednoho komplementárního řetězce RNA; vlákno je komplementární v tom, že odpovídá původnímu kódu DNA, kromě toho, že nahrazuje T (thymin) U (uracilem). Poté mikroby nasekají dlouhé vlákno na kratší fragmenty crRNA, z nichž každý nese jednu repetici a jednu distanční vložku.

Bakterie také vytvářejí druhou molekulu RNA, nazývanou „trans-aktivační crRNA“ nebo tracrRNA. Tato RNA obsahuje obrácenou verzi palindromické repetice na molekule crRNA, což umožňuje oběma RNA vázat se dohromady.

Výsledný komplex se pak může přichytit na virovou DNA nesoucí sekvenci spaceru a vyvolat enzym, který tuto DNA rozřízne a vyřadí. Enzym, nazývaný „CRISPR-associated protein 9“ neboli Cas9, je v podstatě pár molekulárních nůžek.

Existují také další typy enzymů Cas, které lze využít při úpravě genů. Například jeden z nich zvaný Cas12 vytváří střídavé řezy v DNA, ve kterých je jedno vlákno na každém konci delší než druhé. Sekvence DNA pak mohou být spárovány s převislým vláknem. Cas14 provádí řezy v RNA namísto DNA a mohl by být užitečný pro dočasnou změnu proteinů, které buňka vytváří, aniž by bylo nutné provádět trvalé úpravy jejího genomu.

Systémy pro úpravu genů CRISPR fungují tak, že navádějí enzymy Cas na konkrétní místo v genomu, a to pak proříznou. 

Jak CRISPR upravuje DNA?

Vědci využili schopnosti systému CRISPR provádět přesné řezy v DNA. Jeho přizpůsobením tak, aby prováděl žádoucí úpravy genomu v jakémkoli typu buněk, mohou vědci měnit geny nebo sekvence DNA, které regulují aktivitu genů, a měnit jejich funkci nebo expresi. Aby vědci systém zjednodušili, zkombinovali molekuly crRNA a tracrRNA popsané v předchozí části do jediné molekuly nazvané „naváděcí RNA“.

„Vše, co musíte udělat, abyste se zaměřili na novou sekvenci, je změnit průvodce,“ vysvětluje Van Eenennaamová. Naproti tomu jiné techniky editace genomu vyžadují časově náročný a nákladný návrh laboratorně vyrobeného proteinu, který se zaměřuje na sekvenci, která je předmětem zájmu.

Vodicí RNA je spárována s enzymem Cas9, aby provedla úpravy v genomu. Jakmile se RNA naváže na požadovanou sekvenci, enzym se vrhne dovnitř a přestřihne obě vlákna DNA. V reakci na to se buňka pokouší slepit vlákna zpět k sobě, ale používá proces plný chyb, který často znamená mutaci. Může například přidat několik písmen navíc. Tato změna často gen deaktivuje, takže editace CRISPR je jednoduchou strategií, jak geny vypnout.

Vědci také upravili enzym Cas9 tak, aby mohl provádět další typy úprav. Tím, že vyřadí genetické nůžky Cas9 a poté spojí tento „mrtvý Cas9“ s jiným enzymem, mohou tento mechanismus upravit tak, aby změnil jednotlivé báze, například přeměnil C na T. Tato „editace báze“ umožňuje vědcům provádět jemné změny, které mění strukturu produktu kódovaného genem, ať už se jedná o protein nebo RNA. Mrtvý Cas9 se také dá spárovat s enzymy, které aktivují nebo umlčují geny, aby vyladily jejich aktivitu. Nebo ho také spojit s fluorescenčními proteiny, které se rozsvítí, když se naváděcí RNA naváže na specifický úsek DNA, čímž v podstatě odhalí své poštovní směrovací číslo v buňce.

Kdo objevil CRISPR?

Historie technologie CRISPR sahá až do roku 1987, kdy Yoshizumi Ishino a jeho kolegové z univerzity v Ósace v Japonsku poprvé informovali o neobvykle se opakujících sekvencích u známé bakterie Escherichia coli. V té době vědci nevěděli, jak tyto shluky souvisejí s obranou bakterií. V 90. letech 20. století tyto shluky přitáhly pozornost dalších vědců, když je Francisco Mojica (který vymyslel termín CRISPR) a jeho tým z univerzity v Alicante ve Španělsku objevili ve 20 dalších bakteriálních genomech, což naznačilo, že mají pro bakterie široký význam. V roce 2005 Alexander Bolotin a jeho kolegové z francouzského Národního institutu pro zemědělský výzkum narazili na geny pro enzymy Cas, které se nacházejí v blízkosti oblasti CRISPR genomu. Krátce poté skupina Eugena Koonina z National Institutes of Health odhalila, že sekvence spacerů se shodují s virovou DNA, což vedlo vědce k propojení CRISPR s bakteriální imunitou. Emmanuelle Charpentierová z Institutu Maxe Plancka v Německu a Jennifer Doudnaová z Kalifornské univerzity v Berkeley později upravily CRISPR pro editaci genomu. Jejich práce je dovedla k tomu, že se v roce 2020 podělily o Nobelovu cenu za chemii. Krátce po průlomovém zveřejnění práce Charpentierové a Doudnaové předvedli Virginijus Šikšnys a jeho kolegové z Biotechnologického institutu Vilniuské univerzity, jak by se CRISPR dal využít při editaci genů. Skupina Feng Zhanga z Broad Institute později vyvinula další systémy CRISPR do nástrojů pro úpravu genů, včetně systému pro editaci RNA zahrnujícího enzym zvaný Cas13.

Jak se CRISPR používá?

CRISPR se používá u lidí k nápravě genetických poruch, jako je cystická fibróza a šedý zákal, v laboratorně pěstovaných buňkách a u laboratorních zvířat. Velká Británie a USA schválily genovou terapii založenou na CRISPR nazvanou Casgevy pro dvě krevní poruchy: srpkovitou anémii a beta talasémii. Jedná se o první terapii založenou na technologii CRISPR, která kdy byla schválena.

Casgevy funguje tak, že přeruší a deaktivuje gen BCL11A, který řídí přechod z fetálního (plodového) hemoglobinu na dospělý hemoglobin krátce po narození. Fetální verze se silněji váže na kyslík, což umožňuje plodu získat dostatek kyslíku z krevního oběhu jeho matky. Dospělá verze obvykle přebírá vládu po porodu, jakmile lze kyslík získat dýcháním. U srpkovité anémie a beta talasémie však mají lidé vadné verze dospělého genu. Přípravek Casgevy obrací přechod na hemoglobin u dospělých, takže pacienti mohou místo toho pokračovat v používání genu pro hemoglobin plodu.

Jedna z forem dědičné slepoty může být jednou z dalších poruch léčených pomocí CRISPR. Studie v rané fázi testovala injekci komponent CRISPR do oka a navrhla, jak by byl tento přístup bezpečný a účinný. Forma CRISPR s úpravou bází také ukázala během malé studie slibné výsledky při snižování hladiny cholesterolu .

Zemědělství a chovatelství

Kromě zdravotní péče byla úprava CRISPR použita k vylepšení nejméně 41 potravinářských plodin, včetně rýže a pšenice, zlepšením jejich chutnosti, nutriční hodnoty a odolnosti vůči chorobám. Používá se také k úpravě genů prasat, jejichž orgány jsou pak odebírány pro transplantace lidem. Kromě toho Van Eenennaamová používá CRISPR v experimentech k ověření konceptu vybavení hospodářských zvířat žádoucími vlastnostmi. Lze tak například zvýšit výnosy masa u skotu, takže zemědělci by mohli chovat méně hospodářských zvířat a omezit tak jejich dopad na životní prostředí.

Potenciální nebezpečí a nevýhody

CRISPR je všestranný a výkonný nástroj pro editaci genomu, ale v tomto okamžiku má určitá omezení a rizika a také vyvolává etické otázky. Například, pokud jde o léčbu genetických poruch, někteří lidé přijímají své stavy a nepovažují je za poruchy. Měli byste například ‚léčit‘ dědičnou hluchotu u potomků neslyšícího páru, který nevěří, že hluchota je špatná věc?

Pokud jde o omezení CRISPR, může způsobit „účinky mimo cíl“, pokud enzym Cas9 rozřezá DNA na nezamýšlených místech v genomu. K tomu může dojít, pokud vědci nepřizpůsobují sekvenci vodicí RNA pro jedinečný cíl DNA, ale místo toho se zaměří na běžnou sekvenci, která se nachází v rodině genů. Takové účinky mimo cíl by mohly mít negativní důsledky na zdraví. Pokud se například vodicí RNA shoduje s genem, který potlačuje růst nádoru, existuje riziko, že její vyřazení by mohlo změnit buňku na rakovinnou.

Dalším problémem je, že editace CRISPR není 100% účinná, takže pouze část cílových buněk projde požadovanou genetickou změnou. To znamená, že v některých scénářích se neupravené buňky mohou vyhnout škodlivým efektům mimo cíl, a proto si vedou lépe než upravené buňky a nakonec je přečíslí. Vědci nedávno zjistili, že upravené krevní kmenové buňky mohou časem vymřít, což naznačuje, že léčba krevních poruch může být z dlouhodobého hlediska méně účinná.

Rizika rovněž představují etické aspekty, pokud jde o používání CRISPR u hospodářských zvířat. Van Eenennaamová obvykle používá „editaci zárodečné linie“ u hospodářských zvířat, která zahrnuje cílení na pohlavní buňky, jako jsou vajíčka a spermie, nebo oplodněná vajíčka. Díky tomu jsou úpravy CRISPR dědičné mezi zvířetem a jeho potomky. Van Eenennaamová nevkládá do skotu nově upravené geny, ale spíše přenáší existující, žádoucí geny z jedné krávy na druhou.

Existuje možnost, že úpravy mimo cíl by mohly poškodit zdraví zvířat. Van Eenennaamová však tvrdí, že tyto obavy jsou často přehnané. „Existují doslova miliony genetických variací mezi dvěma býky,  vyplývající z přirozených mutací, takže efekty mimo cíl jsou jen kapkou v moři“, vysvětlila.

Americký Úřad pro kontrolu potravin a léčiv (FDA) přesto tvrdí, že editace genomu hospodářských zvířat vyžaduje dostatečný dohled, částečně proto, že nový gen vložený do genomu často doprovázejí další sekvence DNA. Tyto přenosy by měly být pečlivě prozkoumány, aby se zajistilo, že nejsou nebezpečné pro zvíře nebo pro lidské spotřebitele, říká FDA. Pokud agentura usoudí, že upravené zvíře je nízkorizikové, může udělit "vynucovací pravomoc", která umožňuje komercializaci jeho a jeho potomků.

Tento typ editace zárodečné linie u lidí byl aplikován jen v kontroverzním případu, kdy čínský vědec vytvořil „děti s CRISPR“. Jedním z hlavních důvodů, proč se zabránilo editaci lidské zárodečné linie, je to, že budoucí generace nemusejí s léčbou CRISPR souhlasit. Úprava embryí by byla neetická, dokud nezjistíme, jaké jsou účinky mimo cíl a jak je můžeme kontrolovat. Národní akademie věd, inženýrství a medicíny stanovila kritéria, která by měla být splněna, aby klinické studie editace zárodečné linie mohly pokračovat. Skupina doporučuje omezit editaci lidských zárodečných linií pouze na geny, jejichž mutace mohou vést k vážným onemocněním, pro která neexistují žádné jiné terapie.

V současné době se v genových terapiích používá hlavně technika zvaná „somatická editace“. To platí například pro Casgevy. Somatická editace funguje tak, že se zaměřuje na podmnožinu nepohlavních buněk v těle, a proto nepředává žádné změny dalším generacím. „Přínos v těchto kontextech jasně převažuje nad jakýmkoli hypotetickým rizikem,“ říká Van Eenennaamová, takže somatická editace CRISPR je „samozřejmá“, pokud jde o genovou terapii.

Zdroj: How does CRISPR work? | Live Science