Es mag wie eine Getreidemarke klingen, aber CRISPR ist eine der bedeutendsten Revolutionen in der Genetik in unserem Leben. In den letzten Monaten sind Geschichten über Forscher aufgetaucht, die CRISPR-Cas-Proteine verwenden, um die genetischen Sequenzen von DNA effektiv zu bearbeiten, HIV abzutöten, Zika wie Pac-Man zu essen und Speichern Sie ein GIF in der DNA von Bakterien .
Trotz des Potenzials von CRISPR ist es ein unglaublich kontroverses Verfahren. Es erfordert, dass DNA-Stränge geschnitten und vollständig verändert werden, um das Erbgut einer Person zu verändern, und zwei neue Studien haben eine solche Gen-Editing-Technologie mit einem Anstieg von Krebs in Verbindung gebracht.
Die Papiere, eine von Novartis und der andere von der Karolinska-Institut , veröffentlicht inNaturmedizinschlussfolgern, dass Gentherapie-Techniken die Fähigkeit einer Person zur Bekämpfung von Tumoren schwächen und Krebs verursachen können, was Bedenken hinsichtlich der Sicherheit von CRISPR-basierten Gentherapien aufkommen lässt.
Lassen Sie uns jedoch ein wenig zurücktreten.
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Die beiden Arbeiten konzentrierten sich auf das Gen p53. Frühere Untersuchungen haben ergeben, dass sich bestimmte menschliche Tumoren nicht entwickeln können, wenn das p53-Gen ordnungsgemäß funktioniert. Infolgedessen wirkt p53 als natürlicher Abwehrmechanismus, um das Genom vor den durch CRISPR-Cas9 vorgenommenen Veränderungen zu schützen. Wenn CRISPR-Cas9 verwendet wird, um das Erbgut einer Person zu bearbeiten, springt das p53-Gen zu seiner Verteidigung und tötet die bearbeiteten Zellen effektiv ab, indem es sie dazu bringt, sich selbst zu zerstören. Tatsächlich hat dieses Gen den Fortschritt und die Wirksamkeit der CRISPR-Technik in einer Reihe von Studien verzögert.
In Fällen, in denen CRISPR-Cas9 das Genom einer Person erfolgreich bearbeitet hat, deutet dies jedoch darauf hin, dass das p53-Gen der jeweiligen Zelle fehlerhaft oder nicht funktionsfähig ist. Dies kann wiederum damit zusammenhängen, dass der Körper weniger in der Lage ist, Krebs abzuwehren. Insbesondere kann ein fehlerhafter p53 verursachenZellen wachsen unkontrolliert und werden krebsartig und wurden mit Fällen von in Verbindung gebrachtEierstock-, Dickdarm- und Rektumkrebs.
Durch die Auswahl von Zellen, die das beschädigte Gen, das wir reparieren wollten, erfolgreich repariert haben, könnten wir versehentlich auch Zellen ohne funktionelles p53 auswählen, so die Studienautorin Emma Haapaniemi vom Karolinska-Institut erklärt . Bei einer Transplantation in einen Patienten wie bei der Gentherapie bei Erbkrankheiten können solche Zellen Krebs verursachen und Bedenken hinsichtlich der Sicherheit von CRISPR-basierten Gentherapien aufkommen lassen.
Es sollte jedoch beachtet werden, dass ein Zusammenhang mit Krebs nicht gleichbedeutend mit Krebs ist und die Ergebnisse dieser beiden Studien als vorläufig bezeichnet werden. Dies bedeutet, dass weitere Arbeiten erforderlich sind, um die Ergebnisse entweder zu stärken oder zu verwerfen. Die Forscher distanzieren sich sogar schnell davon, dass CRISPR gefährlich ist. Stattdessen werfen sie gültige Fragen auf und raten Unternehmen und Wissenschaftlern, die klinische Studien vorantreiben, sich des Zusammenhangs bewusst zu sein.
Die Studien konzentrieren sich auch auf eine ganz bestimmte Art der CRISPR-Editiertechnik - das Cas-9-Protein, das zur Korrektur erkrankter DNA durch Insertion gesunder, editierter DNA verwendet wird - und es sind weitere Arbeiten erforderlich, um festzustellen, ob andere Formen der Geneditierung ähnliche Bedenken hervorrufen. In der Tat berichteten Forscher des Salk-Instituts kürzlich über eine Problemumgehung, um ähnliche, frühere Kritikpunkte anzugehen. Anstatt Gene zu bearbeiten, würden bei ihrer sogenannten epigenetischen (oder über dem Gen liegenden) CRISPR-Methode Gene ein- oder ausgeschaltet, anstatt geschnitten zu werden.
Durch Modifikation des Epigenoms konnten Wissenschaftler das Verhalten eines Gens kontrollieren, ohne DNA direkt zu modifizieren. Genmodifikation statt Geneditierung. In Studien an Mäusen kehrten die Wissenschaftler Symptome von Nierenerkrankungen, Typ-1-Diabetes und einer Form von Muskeldystrophie um. Es hat auch das Potenzial, Alzheimer auszurotten.
Was ist CRISPR-Cas9?
CRISPR-Cas9 ist ein Werkzeug zur Bearbeitung des Genoms, mit dem DNA gezielt geschnitten werden kann, sodass Wissenschaftler die Bausteine des Lebens genau bearbeiten können. Sie werden es wahrscheinlich neben dem etwas weniger bekannten Duo CRISPR-Cas1 und CRISPR-Cas2 sehen, die beide DNA-Stücke in das eigene Genom eines Bakteriums schneiden (dazu später mehr).
Cas9 wurde erstmals in den 1980er Jahren als Teil der Abwehrmechanismen einzelliger Bakterien beobachtet, die sicherstellen, dass die Zellen unerwünschte Eindringlinge entfernen können. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass sie durch Anpassung der Technologie in der Lage sind, Genomsequenzen mit beispielloser Geschwindigkeit, Präzision und Genauigkeit anzuvisieren.
Stellen Sie sich CRISPR-Cas9 wie eine Such- und Ersetzungssuche in einem Computerdokument vor, nur dass Sie anstelle von Wörtern genetische Sequenzen bearbeiten.Die genaue Modifizierung der DNA ist ein wissenschaftlicher heiliger Gral, und das Potenzial ist enorm. Es könnte verwendet werden, um Krankheiten auszurotten - selbst erbliche Krankheiten wie Mukoviszidose, Sichelzellenanämie und Huntington könnten der Vergangenheit angehören.
Der Name CRISPR ist eine Abkürzung für die weniger eingängigen, regelmäßig verteilten, kurzen palindromischen Wiederholungen. Der Cas-Teil bezieht sich auf CRISPR.
CRISPR-Cas9: Wie funktioniert es?
CRISPR ist Teil der natürlich vorkommenden Abwehrkräfte bestimmter Bakterien. Wenn ein Bakterium ein eindringendes Virus entdeckt, kann es Segmente der Fremd-DNA um CRISPR herum kopieren und in sein eigenes Genom mischen. Cas9 schneidet, während Cas1 und Cas2 die äußere DNA in das Genom der Zelle einfügen.
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Wenn das Virus das nächste Mal entdeckt wird, muss CRISPR auf eine genaue Kopie der Genomsequenz achten, in die das Cas-Protein eingeht: Es kann die DNA zerschneiden und unerwünschte Gene mit unglaublicher Genauigkeit deaktivieren.
Oder, wie Carl Zimmer erklärt : Wenn sich die CRISPR-Region mit Virus-DNA füllt, wird sie zu einer molekularen meistgesuchten Galerie, die die Feinde darstellt, denen die Mikrobe begegnet ist. Die Mikrobe kann diese virale DNA dann verwenden, um Cas-Enzyme in präzisionsgelenkte Waffen umzuwandeln. Die Mikrobe kopiert das genetische Material in jedem Spacer in ein RNA-Molekül. Cas-Enzyme nehmen dann eines der RNA-Moleküle auf und wiegen es. Zusammen driften die virale RNA und die Cas-Enzyme durch die Zelle. Wenn sie auf genetisches Material eines Virus stoßen, das mit der CRISPR-RNA übereinstimmt, rastet die RNA fest ein. Die Cas-Enzyme zerhacken dann die DNA in zwei Teile, wodurch die Replikation des Virus verhindert wird.
Im Jahr 2012 veröffentlichten Wissenschaftler der University of California, Berkeley, eine bahnbrechendes Papier Dies zeigt, dass sie das CRISPR-Cas-Immunsystem neu programmieren konnten, um Gene nach Belieben zu bearbeiten. CRISPR-Cas9 verwendet ein spezifisches Cas-Protein und eine Hybrid-RNA, die jede Gensequenz identifizieren und bearbeiten kann. Die Möglichkeiten sind riesig.
Kurz gesagt, CRISPR listet die DNA-Sequenzen auf, auf die abgezielt werden soll, und dann schneidet Cas9. Wissenschaftler müssen CRISPR nur mit dem richtigen Code programmieren, und Cas9 erledigt den Rest.
Dies könnte auch für fehlerhafte Gene gelten - Abschnitte, die derzeit Probleme verursachen, könnten mit CRISPR-Cas9 entfernt und dann durch gesunden genetischen Code ersetzt werden, um das Problem theoretisch zu lösen.
CRISPR-Cas9: Wurde es beim Menschen angewendet?
Ja, in China . Mit menschlichen Embryonen aus einer Fruchtbarkeitsklinik versuchten Wissenschaftler, mit CRISPR-Cas9 ein Gen zu bearbeiten, das in jeder Zelle Beta-Thalassämie verursacht. Es ist zu beachten, dass die verwendeten Spenderembryonen nicht lebensfähig waren und nicht zu einer Lebendgeburt hätten führen können.
Auf jeden Fall scheiterte es und scheiterte ziemlich schlimm: 86 Embryonen wurden injiziert, und nach 48 Stunden und etwa acht gewachsenen Zellen überlebten 71 und 54 davon wurden genetisch getestet. Nur 28 waren erfolgreich gespleißt worden, und nur sehr wenige enthielten das von den Forschern beabsichtigte genetische Material.Wenn Sie dies in normalen Embryonen tun möchten, müssen Sie nahezu 100% sein, leitender Forscher Jungiu Huang erzählteNatur . Deshalb haben wir aufgehört. Wir denken immer noch, dass es zu unreif ist.
Darüber hinaus ist es sehr wahrscheinlich, dass mehr undokumentierter Schaden angerichtet wurde. Als die New York Times erklärt ::Die chinesischen Forscher weisen darauf hin, dass die Genbearbeitung in ihrem Experiment mit ziemlicher Sicherheit größere Schäden verursacht hat, als sie dokumentiert haben. Sie untersuchten nicht das gesamte Genom der Embryozellen.
Wie Sie sich vorstellen können, hat dies in der wissenschaftlichen Gemeinschaft große Kontroversen ausgelöst.
Im November 2016 Eine andere Gruppe chinesischer Wissenschaftler war die erste, die CRISPR-Cas9 bei einem erwachsenen Menschen einsetzte und einem Lungenkrebskranken die durch CRISPR modifizierten Immunzellen des Patienten injizierte, um das PD-1-Protein zu deaktivieren, wodurch der Körper des Patienten theoretisch gegen den Krebs zurückschlug .
Dann in einem Studie Am 3. August veröffentlicht, haben Wissenschaftler menschliche Embryonen erfolgreich „bearbeitet“ und das fehlerhafte DNA-Segment entfernt, das zu erblichen Herzerkrankungen führen kann. Es war ein Meilenstein und bot Möglichkeiten zur potenziellen Verhinderung von etwa 10.000 genetischen Störungen durch einzelne Mutationen (d. H. Krankheiten, die durch ein einzelnes fehlerhaftes Gen verursacht werden) bei zukünftigen Menschen.
CRISPR-Cas9 und Ethik
Obwohl die chinesischen Wissenschaftler Embryonen verwendeten, die sich nicht zum Leben entwickeln würden, gibt es echte ethische Bedenken hinsichtlich des Experimentierens mit menschlichen Embryonen - tatsächlich nur einen Monat vor der Veröffentlichung der chinesischen Forschung. Eine Gruppe amerikanischer Wissenschaftler forderte die Welt auf, dies nicht zu tun .
Ein Teil davon hängt davon ab, wie unausgereift die Technologie ist - denken Sie daran, dass sie erst seit 2012 aktiv genutzt wird, und es wäre erstaunlich, wenn sie zu diesem Zeitpunkt vollständig ausgereift wäre. Wissenschaftler warnten, dass es zu missverstanden und gefährlich sei, es an diesem Punkt beim Menschen anzuwenden, und die chinesische Forschung bestätigt diese Besorgnis zweifellos. Auch wenn es einwandfrei funktioniert hat, gibt es Bedenken, dass unvorhergesehene Folgen über Generationen hinweg auftreten könnten.
Aber selbst wenn es 100% sicher und erfolgreich wäre, gibt es andere ethische Bedenken: Während niemand argumentiert, dass wir das Potenzial der Ausrottung genetisch bedingter Killer-Krankheiten wie Huntington und Mukoviszidose zurückhalten sollten, bietet CRISPR-Cas9 möglicherweise die Möglichkeit, Änderungen vorzunehmen irgendetwas über eine Person. Solange die genetische Sequenz identifiziert ist, kann sie theoretisch bearbeitet werden.
Es ist eine Sache, lebensbedrohliche Krankheiten vor der Geburt zu entfernen - eine andere, wenn Eltern ihre Babys so gestalten können, dass sie stärker, schneller oder besser aussehen. Selbst wenn Sie akzeptieren, dass dies etwas sein sollte, was die Menschen tun sollten, besteht die Möglichkeit, dass dies stark kommerzialisiert wird, um sicherzustellen, dass nur die Reichen alle zusätzlichen Lebensvorteile bieten können, die sich daraus ergeben würden, was die Ungleichheit massiv beeinträchtigt.
CRISPR-Cas9: Was wurde bisher getan?
Natürlich sind diese ethischen Fragen eine Million Meilen entfernt, als das einzige aufgezeichnete embryonale menschliche Experiment einen derart hochkarätigen Rückschlag verursachte. CRISPR-Cas9 zeigt jetzt jedoch in kleineren Tests äußerst vielversprechende Ergebnisse.
Beispiele beinhalten HIV-Infektionsprävention in menschlichen Zellen , Heilung genetischer Mauskrankheiten und ein Paar Affen, die mit gezielten Mutationen geboren wurden .
CRISPR entwickelt sich auch zu einem wirksamen Mittel zum Speichern von Daten in der DNA. Im März 2017 veröffentlichten zwei Forscher des New York Genome Center einen Bericht in der Wissenschaft Journal mit detaillierten Methoden zum Speichern komprimierter Dateien in DNA-Molekülen. Mithilfe eines Algorithmus zur Übersetzung der Dateien in einen Binärcode, der auf die Nukleotidbasen der DNA abgebildet werden kann, konnten die Forscher die insgesamt sechs Dateien codieren: eine wissenschaftliche Arbeit von 1948, eine Pioneer-Plakette, ein Betriebssystem, a Virus, der Film von 1895Ankunft eines Zuges am Bahnhof La Ciotat… Und eine Amazon-Geschenkkarte im Wert von 50 USD.
Einige Monate später ein Team von Wissenschaftlern an der Harvard Medical School codierte einen sich wiederholenden Videoclip in die DNA einer lebenden E.Coli-Bakterienzelle . Ziel ist es, ein System zur Herstellung zu entwickelnmolekulare Rekorder - DNA, die in der Lage ist, ihre eigenen Informationen aus ihrer Umgebung aufzuzeichnen. Dies könnte in allen Bereichen eingesetzt werden, von der Überwachung der Bodenverschmutzung bis hin zur Revolutionierung unseres Verständnisses der neurologischen Aktivität.
Im Rahmen des Safe Genes-Programms von DARPA gehören zu den sieben Teams aTeam unter der Leitung von Dr. Amit Choudhary von der Harvard Medical School, das Methoden zur Bekämpfung von Mücken entwickelt, die sich durch Malaria ausbreiten. Ein zweites Team der Harvard Medical School möchte CRISPR verwenden, um durch Strahlung verursachte Mutationen zu erkennen und umzukehren. Ein Team der North Carolina State University unter der Leitung von Dr. John Godwin zielt darauf ab, Genantriebssysteme bei Ratten gezielt einzusetzen, um invasive Arten zu verwalten, während die University of California in Berkeley CRISPR zur Bekämpfung von Zika- und Ebola-Viren einsetzen möchte. Die vollständige Liste der Projekte und Teamdetails finden Sie auf der DARPA-Website.
In jüngerer Zeit hat der Strukturbiologe Osamu Nureki von der Universität Tokio unglaubliche Aufnahmen von CRISPR-Bearbeitungs-DNA in Echtzeit geteilt, die Teil des kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Papiers seines Teams waren Naturkommunikation . Der folgende Clip zeigt die CRISPR-Suche nach DNA, bevor sie bearbeitet wird. Sie können sehen, wie ein DNA-Strang getrennt wird.
Das Filmmaterial wurde ursprünglich den Teilnehmern des. Gezeigt CRISPR 2017 Konferenz, die im Juni stattfand. Das Papier wurde im Anschluss an diese Konferenz eingereicht und am 10. November veröffentlicht.
CRISPR-Cas9: Wird es nach Großbritannien kommen?
Ja. Stammzellforscher im Vereinigten Königreich bat um Erlaubnis menschliche Embryonen zu modifizieren, um die frühe menschliche Entwicklung zu verstehen und die Wahrscheinlichkeit einer Fehlgeburt zu verringern. Im Februar 2016 wurde dieDie Human Fertilization and Embryology Authority (HFEA) erteilte die Genehmigung.
CRISPR-Cas9: Warum ist CRISPR schlecht?
Wie bereits erwähnt, kann Cas9 nur genetische Sequenzen mit einer Länge von etwa 20 Basen erkennen, was bedeutet, dass längere Sequenzen nicht gezielt werden können.Noch wichtiger ist, dass das Enzym manchmal immer noch an der falschen Stelle schneidet. Herauszufinden, warum dies so ist, wird an sich schon ein bedeutender Durchbruch sein - die Behebung wird noch größer sein.
Dann gibt es natürlich das Problem, dass CRISPR bei menschlichen Embryonen nicht besonders gut funktioniert hat, und seine neueren Verbindungen zu Krebs.
CRISPR-Cas9: Wem gehört es?
Das ist keine einfache Frage. Es unterliegt einem laufenden Patentstreit - überraschenderweise kommt CRISPR in bestimmten Bakterien natürlich vor.
Technologieüberprüfungerklärt das, obwohl CRISPR-Cas9 zuerst in beschrieben wurdeWissenschaftIm Jahr 2012 erhielt Feng Zhang vom Broad Institute von Jennifer Doudna von der UC Berkeley ein Patent auf die Technik, indem er Laborhefte einreichte, die beweisen, dass er sie zuerst erfunden hatte.
Die erste Einreichung von Patentrechten bedeutet, dass dies Doudna gewährt werden sollte, aber die Entscheidung hätte auf der Grundlage der erstmaligen Erfindung von Regeln getroffen werden können, die Zhang begünstigt hätten. Schließlich, Der Fall wurde im Februar 2017 gelöst Als die US-Patentprozess- und Beschwerdeinstanz beschloss, dass UC Berkeley das Patent für die Verwendung von CRISPR-Cas9 in jeder lebenden Zelle erhalten würde, während Broad es in jeder eukaryotischen Zelle erhalten würde - dh Zellen in Pflanzen und Tieren.
Bilder: Petra B Fritz , VeeDunn , NIH-Bildergalerie , und Steve Jurvetson wird unter Creative Commons verwendet
