Hogyan működik a géneditálás?

A génmérnökök eddig csak arra voltak képesek, hogy extra DNS-sel bombázzák a sejteket, annak reményében, hogy az bejut némelyik sejt magjába, és beépül a genomba. Arra nem volt lehetőség, hogy megszabják, az extra DNS a genom melyik részébe épüljön be, a véletlenszerűen beépülő genetikai anyag pedig számtalan káros hatást válthat ki – pl. tumorkeletkezés –, ha éppen rossz helyen csatlakozik be valamelyik kromoszómába.

Az alig három éves géneditálási technikával viszont az extra DNS pontosan oda épül be, ahová a génmérnök szeretné, írja az új eszközt bemutató cikkében Colin Barras (Right on target: New era of fast genetic engineering; New Scientist). A géneditálással a sejtmag DNS-e pontosan meghatározott helyen vágható el, a megszerkesztett és bejuttatott extra DNS pedig a sejt DNS-javító mechanizmusa segítségével épül be a vágás helyére, miközben a DNS-lánc „összeforr”.

Vírushulladék-újrahasznosítás

Az új – specifikus, gyors és olcsó – módszer története az 1980-as években kezdődött, amikor az E. coli genomját vizsgáló japán kutatók különös ismétlődő szekvenciákra lettek figyelmesek. Az ismétlődő szekvenciákat tartalmazó DNS-darabok látszólag véletlen bázissorrendű DNS-részekkel voltak elválasztva, ez utóbbiakat spacer-nek, azaz térköztartónak nevezték el. Az ismétlődő részek és a spacerek együttesét nevezzük ma kriszpernek, azaz CRISPR-nek: clustered regularly interspaced short palindromic repeats.

Mint kiderült, a CRISPR-ek nagyon gyakoriak az élővilágban, a baktériumok felében, az archeák 90%-ában előfordulnak, ebből a kutatók arra következtettek, hogy valami nagyon hasznos funkciójuknak kell lennie. 2005-ben aztán felfedezték, hogy a látszólag véletlen bázissorrendű DNS-részek olyan vírusok genetikai anyagához illeszkednek, amelyek az adott sejteket képesek megtámadni. Ebből biológusok arra következtettek, hogy a spacerek olyan emlékeztetők lehetnek, amelyek segítenek a sejtnek felismerni, majd elpusztítani a virális támadót, azaz az egysejtű organizmus „immunrendszereként” funkcionálnak, vonja le a következtetést a New Scientist cikkírója.

2009-re bebizonyosodott, hogy a gyanú megállja a helyét, és az is kiderült, hogyan működik ez az immunrendszer. Először is a spacerről és a vele szomszédos ismétlődő részekről RNS-másolat készül, majd ez az RNS összekapcsolódik egy fehérjével (CRISPR-hez csatlakozó, azaz CRISPR-asszociált protein: Cas). Mint Colin Barras megfogalmazza, az RNS lesz az agy, a Cas pedig az izom: az RNS minden hozzá illeszkedő virális DNS-hez hozzákötődik, amit csak talál a sejtben, a Cas pedig feldarabolja azt.

Az immunrendszer működésének további zsenialitása, hogy a feldarabolt virális DNS egyes darabjai a továbbiakban egy új spacert alkotva beépülhetnek a sejt genomjának valamelyik CRISPR-régiójába, ily módon az új vírusokra is emlékezni fog az egysejtű immunrendszere - aminek létezése alaposan meglepte a kutatókat, és máig az egyetlen adaptív immunrendszer, amit baktériumokban és archeákban ismerünk.

A létező lamarcki evolúció

Ráadásul bizonyos szempontból a CRISPR-Cas rendszer sokkal jobban működik, mint a mi immunrendszerünk: az általa létrehozott védekező rendszer továbbadható az utódgenerációknak. Mint Eugene Koonin, CRISPR-Cas rendszert az egysejtű immunrendszereként először tételező biológus 2009-ben megállapította: a CRISPR-Cas rendszer a lamarcki evolúció példája: az egyed élete alatt szerzett adaptív tulajdonság továbbadódik az utódnak. A kutatókat pedig további munkára sarkallta az a tény, hogy mivel a CRISPR-Cas rendszer nem fehérjéket, hanem RNS-t használ a kivágandó genetikai anyag azonosításához, az utánzása meglehetősen olcsó lehet: meghatározott információtartalmú RNS-t előállítani sokkal könnyebb, mint proteineket.

2011-ben további kulcsfontosságú felfedezés következett: Emmanuelle Charpentier és munkatársai rájöttek, hogy az emberi patogén Streptococcus pyogenes az addig ismertekhez képest más típusú CRISPR-Cas rendszert használ: proteinje jóval egyszerűbb (ez a ma a géneditálásban használatos Cas9), RNS-ből pedig két molekulával rendelkezik. 2012-ben pedig Charpentier és Jennifer Doudna kimutatta, hogy a két RNS-molekula egyetlen mesterséges RNS-be konvertálható, ami ugyanolyan hatásosan irányítja a Cas9 fehérjét, mint az eredeti két RNS.

Charpentier és Doudna munkája kémcsőben szabadon úszó DNS-ek célbavételével foglalkozott, ezután azt akarták megvizsgálni, hogy a bakteriális CRISPR-Cas9 rendszer működik-e állatok és növények komplex sejtjeiben is. Mint kiderült, igen, kiválóan működik, ennek kimutatásában azonban két csapat is megelőzte Charpentieréket: George Church, valamint Feng Zhang és munkatársaik egyaránt 2013 januárjában, a Science-ben tették közre ezzel kapcsolatos tanulmányukat, míg Charpentier és Doudna cikke három héttel később jelent meg. Azóta pedig mindenki a CRISPR-Cas9 rendszert akarja kipróbálni, és a kapcsolatos munkák száma exponenciálisan növekszik, mivel használata könnyű és maga a rendszer nagyon hatékony, nyilatkozta Colin Barrasnak az egyik kutató. További előnye, hogy mivel vírusok sokaságának megtámadására fejlődött ki, a géneditálás során egyszerre egynél több gén módosítására is felhasználható, ezért Feng Zhang szerint például a jövőben komplex genetikai hátterű betegségek, így pl. diabétesz vagy szívbetegségek gyógyításában is alkalmazható lesz.

Gyártsd te magad a gyógyszered

További beláthatatlan lehetőségeket rejt az a felfedezés, hogy a Cas9 protein úgy módosítható, hogy a DNS feldarabolása helyett transzkripciós faktorként működjön. Ekkor a DNS CRISPR által jelzett helyéhez csatlakozva a kívánt DNS-szakasz működését tudja be- vagy kikapcsolni. Ezáltal pl. az autoimmun betegségek új kezelési lehetősége nyílik meg: nem kívülről fogjuk bejuttatni a gyulladásellenes hatású fehérjéket, hanem azokat a szervezet sejtjeivel termeltetjük meg.

Jelenleg még a rendszernek számos hibája is van, továbbá nem ismertek pontosan a veszélyei, nem tudjuk pl. azt sem, hogy milyen esélye van annak, hogy az eszköz rossz helyen vágja el a DNS-t, valamint génterápiás eszközként való felhasználásához fontos megoldandó kérdés, hogy a szervezeten belül hogyan lehet a megfelelő sejtekbe eljuttatni. Mindazonáltal már elkezdték használni humán sejteken, és a múlt hónapban egy kínai csapat azt is bejelentette, hogy humán csíravonalon kísérleteznek sikerrel. Mint a majomneuronok DNS-ét editáló Gouping Feng elmondta egy interjúban, a géneditált emberek megjelenése 10-20 éven belül várható.