2015 egyik tudományos slágere a CRISPR/Cas9-rendszer volt, amely lehetővé teszi a minden korábbinál egyszerűbb és olcsóbb génmódosítást. Egy kínai kutatócsoport életképtelen emberi embriókon is kipróbálta a módszert. Ugyan emberi embriók módosítása egyelőre etikátlannak minősül, többek szerint a technológia alkalmazása csupán kockázatcsökkentés kérdése.
A módszer lényege
A CRISPR/Cas9 alapja egy baktériumok által használt védekező rendszer, amely arra szolgál, hogy a fágok (baktériumokat támadó vírusok) DNS-ét felvágja, és ezzel működésképtelenné tegye. Ez azt jelenti, hogy a fertőzött sejt nem kezd a saját fehérjéinek rovására vírusokat gyártani a génjei közé beépült vírus-DNS miatt. A vírus DNS-ét egy fehérje hatástalanítja: ez a Cas9 eredeti funkciója. Ahhoz azonban, hogy a Cas9 – és több más, különböző baktériumfajokban megtalálható hasonló fehérje – felismerje, melyek a káros DNS-darabok (és ne a sejt saját genetikai anyagát tegye tönkre), szüksége van egy mintára.
Itt jön a képbe a CRISPR (Clustered Regularly-Interspaced Short Palindromic Repeats, azaz „csoportokba rendeződött szabályosan elválasztott rövid palindrom ismétlődések”). Ez a kifejezés a bakteriális DNS egy részére vonatkozik, ahol az ismert vírus DNS mintája a névadó „rövid, ismétlődő DNS-szekvenciák” között található. Ezek a szakaszokról RNS íródik át.. Az RNS a gének DNS-verziójából az abban tárolt információ alapján felépülő fehérje előtti köztes állomás. Felépítése hasonló a DNS-hez. Mivel azonban a CRISPR szekvenciák nem gének, nem íródik át róluk értelmes fehérje, hanem „megrekednek” RNS-ként, így hasznosulnak. Az RNS egységeiben ugyanúgy négyféle szerves bázis található, mint a DNS-ben, és az RNS-bázisok ugyanúgy képesek a DNS-hez párosodni, mint ahogy a DNS két szálában az adenin a timinhez, a guanin pedig a citozinhoz kötődik. (A különbség csak annyi, hogy az RNS-ben a timint uracil helyettesíti.) A CRISPR-ről átíródott RNS ilymódon a vírus DNS-hez illeszkedik, jelezve a Cas9-nak, hol kell elvágnia.
A géntechnológia azt használja ki, hogy a Cas9 fehérje elvág bármilyen DNS-t, amelyet a CRISPR mutat neki. Ez azt jelenti, hogy elegendő egy olyan RNS-szekvenciát létrehozni, amely – a vírus DNS mintája helyett – bármilyen tetszőleges szekvencia mintáját tartalmazza. A Cas9 az ehhez a mintához illeszkedő DNS-szakaszt fogja elvágni „kettős szálú törést” okozva. Ez azt jelenti, hogy mind a két szál ugyanott törik el, megnehezítve a természetes javítást. Így előfordul, hogy a javító mechanizmusok során a biológusok által a sejtbe juttatott DNS beépül arra a helyre, ahol a CRISPR/Cas9-rendszerrel előidézett hasítás történt. Ezért alkalmas a technológia génmódosításra.
2015 slágere
A DNS-szekvenciákat felismerő molekulák által irányított hasító enzimeket és a sejt természetes javító mechanizmusait kihasználó génmódosítás önmagában nem új találmány. A korábban használt technológiák abban térnek el CRISPR/Cas9-rendszertől, hogy azok RNS helyett DNS-kötő fehérjéket használnak módosítandó szekvencia felismeréséhez. Léteznek ugyanis olyan fehérjék is, amelyek a DNS bázisaihoz hasonló fizikai-kémiai folyamatok során képesek hozzákötődni – fehérjéket felépíteni azonban sokkal időigényesebb és bonyolultabb feladat, mint RNS-t. A CRISPR/Cas9 ugyanakkor előbbiekhez képest nem veszít pontosságából, ráadásul egyszerre több módosítást is be lehet vezetni vele.
Magát a CRISPR-t még a nyolcvanas években fedezték fel – arra viszont csak 2005-ben jöttek rá a tejiparban, hogy a fágok DNS-ével kapcsolatos. A ma használt technológia elméletét 2012-ben, gyakorlatát először 2013-ban publikálták, azóta pedig rekordsebességgel söpört végig a molekuláris biológiai laborokon, hiszen a génmódosítás a legtöbb helyen mindennaposan használt eljárás. Korábban is gyakorlat volt például különböző betegségek kutatásához genetikailag módosított állatmodellek létrehozása. A génmódosítás folyamatának leegyszerűsödése azt jelenti, hogy minden alapkutatás könnyebben, olcsóbban kivitelezhető lesz. De nem csak erről van szó. A CRISPR/Cas9-nak új felhasználási módjaival is kísérleteznek, amelyek jelentősen megváltoztathatják az életünket.
Az év elején HIV-rezisztens T-sejteket hoztak létre az egyik, a sejtfelszínen található fehérjében okozott mutációval. A vírus ehhez a fehérjéhez hozzákötődve fertőzi meg a sejteket – így ha nincs fehérje, nincs fertőzés. Egy májusi cikk szerint a módszer alkalmas olyan fágok létrehozására, amelyek újra érzékennyé tehetnek egy antibiotikum-rezisztens baktériumtörzset. Az antibiotikum-rezisztenciát általában plazmidok, azaz kicsi, a baktérium saját kromoszómájától eltérő DNS-körök hordozzák (és adják tovább). A fággal bejutatott CRISPR/Cas9-rendszer tulajdonképpen az ilyen plazmidokat hasítja el. Egy novemberben megjelent kutatás a bakteriális védekező rendszert növények vírusokkal szembeni védekezésének javítására használta fel. Egy szintén novemberben megjelent cikk írói olyan génmódosított szúnyogokat hoztak létre, amelyek eredményesen harcolnak a malária parazita ellen. December elején egy torontói gyerekkórházban a rendszer egyik változatával nem génmódosítást hajtottak végre, hanem egy már meglévő gén kifejeződését (azaz RNS-re, majd fehérjére való átíródását) módosítva növelték egy fehérje termelését egy gyermekkori izomelhalásban, azaz az izmok fokozatos elhalásával járó betegségben szenvedő gyerekben. Ez a fehérje kompenzálja egy a betegségben nem termelődő másik fehérje hiányát.
A rendszer igazán vitatott felhasználási lehetőségét még áprilisban publikálták kínai tudósok. Abnormális emberi zigótákat (megtermékenyített petesejteket) használtak, amelyekben két spermium teljes DNS-e volt benne, így egyébként is életképtelenek lettek volna. A béta-thalassémia, egy vérszegénységet okozó hemoglobin-rendellenesség kialakulásáért felelős gént módosították.
Segítség, dizájner babák!
A kínai kísérlet heves etikai vitát gerjesztett. A Science és a Nature nem volt hajlandó publikálni, több kutató óvatosságra intett, volt, aki moratóriumot sürgetett (többek között az események hatására egyéb génmódosító kutatási módszerek elleni fellángolástól is tartva). Az Egyesült Államok Nemzeti Egészségügyi Hivatala (NIH) kijelentette, hogy nem finanszírozza emberi embriók genomjának módosítását.
A probléma nem a technika embereken való alkalmazásával van. A génterápia – amelyet ma is használnak például öröklött rendellenességek és rákok kezelésére – a felnőtt emberek testi sejtjeibe vagy őssejtjeibe genetikai anyagot juttat annak érdekében, hogy a bennük lévő mutációt kijavítsa. Az embriók módosítása azonban más kérdéskörbe tartozik. Egyrészt azért, mert a beavatkozás a beleegyezésük nélkül történik, másrészt egy ilyen korai módosítás a kifejlett egyed minden sejtjében megjelenhet majd, beleértve az ivarsejteket is. Az ivarsejtek genetikai módosítását nevezik az emberi csíravonal módosításának – megkülönböztetve a testi sejtek szerkesztésétől. Az embrióból kifejlődő ember gyerekeivel kapcsolatban is fennáll az etikai probléma, miszerint az beleegyezése nélkül módosították a DNS-ét. Ezen kívül az emberiség genetikai állományát módosítani sokak szerint veszélyes, előreláthatatlan következményekkel járhat: csökkentheti például a biodiverzitást, ami megnehezíti a megváltozott környezethez való alkalmazkodást.
Felmerül a dizájner babák kérdésköre is. Még növelné is az emberiség életképességét a tény, hogy a genetikai betegségeket akár örökre kiirthatjuk génállományunkból – hiszen nem létezik olyan megváltozott környezet, ahol a féléves koruktól folyamatosan legyengülő, megvakuló, elbutuló és megsüketülő, majd négyéves korukra meghaló gyerekek evolúciós előnyt jelentenének. A rossz gének megjavításának lehetősége azonban megnyitja az utat a nem betegséget okozó gének kicserélésére is. Idővel lehetségessé válna okosabb, szebb, hosszabb élettartamú gyerekek létrehozása, vagy akár bármilyen, a szülők által előnyben részesített gén „beültetése”. Az embrióból felnövő ember beleegyezésének problémája mellett ez a társadalmi egyenlőtlenség új fajtájához vezethet: a gazdagabb szülők jobb génekkel ruházhatják fel gyerekeiket, behozhatatlan előnyt biztosítva nekik. Ez az a forgatókönyv, ahol igazán kidomborodik az az emberi génállomány megváltoztatásának problémája is. A szülők (vagy bárki más) általi önkényes, a divat és esztétikai szempontok által is befolyásolt beavatkozások hosszú távon például sebezhetővé tehetik az embereket egy-egy betegséggel szemben, és sokak szerint olyan genetikai „káoszhoz” vezetnek, ami ma még elképzelhetetlen, kijavíthatatlan károkat okozhat.
Hogyan csinálnánk?
Az etikai problémák megvitatására december elején összeült egy konferencia az Egyesült Államok, Kína és az Egyesült Királyság tudományos akadémiáinak szervezésében, a CRISPR/Cas9-technológia és a bioetika szakértőinek részvételével. A konferenciát lezáró közlemény szerint az érvényben lévő etikai szabályozásoknak megfelelő alap-és preklinikai kutatások továbbra is elfogadhatóak és szükségesek (amíg nem hoznak létre terhességet). Az emberi testi sejtek klinikai módosítása szintén a meglévő, génterápiával kapcsolatos szabályozások alá esik – az emberi csíravonal módosítása viszont a széleskörű társadalmi beleegyezés, a biztonsági problémák kiküszöbölése és megfelelő törvényi szabályozás nélkül felelőtlenség.
Sokan úgy érezték, a szakértők valójában nem azért voltak ott, hogy az etikai kérdésekről döntsenek, hanem azért, hogy megvitassák, hogyan lehet a csíravonal-módosítást oly módon véghezvinni, hogy az biztonságos legyen, és a lehető legkevesebb etikai problémát vessen föl – a módszerjelenlegi formájában egyáltalán nem is működőképes.
Az első, és legfontosabb technológiai korlát az, hogy természetesen ez a rendszer sem működik tökéletesen. A CRISPR/Cas9 a labor számára pontosnak és megbízhatónak számít, jó hatékonysággal találja meg és hasítja el a megfelelő DNS-szakaszt. A laborban azonban kudarc esetén egyszerűen újra lehet próbálkozni, míg emberi embriókkal ez természetesen lehetetlen. A módszer jelenlegi formája a klinikai alkalmazáshoz elfogadhatatlan arányban hoz létre „off-target” módosítást – vagyis túl gyakran alakít át működő DNS-szakaszokat. Így volt ez a kínai kutatók kísérletében is – ráadásul nagyobb arányban, mint korábbi, egér embriókkal és felnőtt sejtkultúrában végzett kísérletekben. Ennek a problémának egyik megoldása lehet a szintén a 2015-ös évben felfedezett, a Cas9-hoz hasonló fehérje, a Cpf1, amely ugyanúgy működik a CRISPR-rendszerben, de kisebb, ezért könnyebben bejuttatható a sejtekbe, és bizonyos esetekben erősebben köt a célszekvenciához. További előnye, hogy kétszálú törések helyett az elvágott DNS mindkét szálán hagy egy-egy „lelógó” darabkát, úgynevezett „ragadós véget”, amelyek esetleg használhatóak a beillesztendő szekvenciák megtervezésénél. Mások a Cas9 elektromos töltését a negatív irányba módosították, így az kevésbé köt negatív töltése miatt a pozitív töltésű molekulát vonzó, de az RNS-mintához valójában nem illeszkedő DNS-hez.
A másik, szintén a kínai kísérletben is illusztrált probléma az úgynevezett „genetikai mozaikok” kialakulása. Ez akkor fordul elő, ha a génmódosítás csak a módosított sejt osztódása után történik meg. Mivel a módszer nem száz százalékos hatékonyságú, ilyenkor gyakran az egyik utódsejt módosul, a másik viszont nem – ez pedig a mutáció mozaikos elrendeződését okozza az egész embrióban.
Az embrió módosításának fontos, és egyelőre mindenképpen ígéretesebb alternatívája a spermatiogoniális (a spermiumokat létrehozó) őssejtek módosítása. Ezzel a módszerrel ugyan csak az apa által hordozott genetikai rendellenességeket lehet megjavítani, azokat viszont 100%-os sikerrel. A folyamat egy pontján a módosított őssejtek egy sejtkultúrában szaporodnak – ilyenkor könnyen meg lehet szekvenálni a bennük lévő DNS-t. Ennek segítségével eldönthető, mely sejtek vették fel sikeresen, „off-target” hatás nélkül a kívánt módosítást – ezeket a szervezetbe visszaültetve pedig az apa minden gyerekében a jó gén fog szerepelni. Egyelőre nem világos, hogyan hajtható végre ugyanez a beavatkozás a nőknél – a férfiakkal ellentétben ugyanis már születésükkor rendelkeznek minden, életük során megérő petesejttel.
A technológiák fejletlensége egyelőre tehát biztosítja, hogy a társadalomnak nem kell meghoznia a csíravonal módosításával és a dizájner babákkal kapcsolatos morális döntést – a tudósoknak pedig nem kell attól tartaniuk, hogy az új módszerek miatt fellángoló ellenszenv meggátolja őket eddigi kísérleti technikáik alkalmazásában.
Tóth Réka
További írásaink megtalálhatóak a lumens.hu-n, illetve Facebook-oldalunkon is.
