Co je to genetická modifikace?
Různé země a organizace definují genetické modifikace (GM) poněkud odlišně. Obecně se GM týká provádění změn genetické informace živé bytosti, ke kterým by jinak přirozeným pářením nebo rozmnožováním nedošlo. Obvykle se jedná o použití biotechnologických metod, jako je „rekombinantní DNA“, „cílení genů“ nebo „editace genomu“, které přidávají, odstraňují nebo jinak mění DNA organismu. Genetická modifikace může také zahrnovat přesun genetického materiálu mezi druhy.
Geneticky modifikované organismy (GMO), včetně mikrobů, buněk, rostlin a zvířat, se již dlouho používají ve vědeckém a lékařském výzkumu jako způsob, jak porozumět procesům v biologii i mechanismům nemocí. Využití genetických technologií k léčbě nemocí nebo k jiným úpravám u lidí, tzv. genová terapie, se zkouší od 90. let 20. století. Méně než hrstka těchto léčebných postupů byla dosud schválena bezpečnostními a regulačními agenturami, jako je například americký Úřad pro kontrolu potravin a léčiv.
Použití genové terapie k přímé léčbě genetických příčin nemocí je již dlouho snahou lékařů, vědců i pacientů. U některých nemocí, jako je cystická fibróza nebo srpkovitá anémie, je poměrně dobře známo, že jsou způsobeny variantami v jednotlivých genech. V těchto případech existuje naděje, že pokud se podaří gen způsobující onemocnění opravit nebo nahradit, bude možné jedince s touto nemocí vyléčit nebo alespoň zabránit zhoršování nemoci. U složitějších onemocnění, jako jsou srdeční choroby, cukrovka nebo mnohé formy rakoviny, které jsou výsledkem vzájemného působení mnoha genů a genů a prostředí, je však genová terapie obtížnější.
Pro použití genetické terapie k léčbě onemocnění u jedince po narození může být nutné upravit značnou část buněk v příslušných tkáních nebo orgánech. To představuje technickou výzvu, jak bezpečně a účinně dopravit modifikační techniku a/nebo alternativní verze genů do cílových buněk a jak úspěšně provést změny v genomu buněk s minimem chyb. Pokud je modifikace provedena v „zárodečné linii“ (včetně reprodukčních buněk i buněk v raném stádiu embrya), zdědí tuto modifikaci všechny buňky v těle následujících generací, stejně jako jakoukoli chybu nebo neočekávanou změnu provedenou během procesu.
Co je CRISPR?
Od konce roku 2000 začali vědci vyvíjet techniky známé jako „editace genomu (nebo genů)“. Editace genomu umožňuje vědcům provádět změny na určitém „cílovém“ místě v genomu. Jedna z technik, která díky své účinnosti a snadnému použití vyvolala největší vzrušení, se nazývá „CRISPR“. CRISPR je zkratka pro „clustered regularly interspaced short palindromic repeats“. Základem technologie CRISPR je systém, který si bakterie vyvinuly na ochranu proti virům. Vědci nyní převzali komponenty systému CRISPR a vytvořili z nich nástroj pro úpravu genomu.
Systém CRISPR má dvě složky: molekulu známou jako „vodicí RNA“ (gRNA), která má stejnou sekvenci jako cílové místo v genomu, a „nukleázu“ (tj. molekulu pro řezání DNA) zvanou Cas9. Když se obě tyto složky dostanou do buňky, gRNA se naváže na cílové místo v genomu prostřednictvím komplementárního párování bází (to znamená, že A se naváže na T a G na C). V tomto procesu gRNA pomáhá přivést Cas9 k cílovému místu, aby provedl řez do dvojité šroubovice DNA. Přirozený mechanismus opravy DNA v buňce tuto mezeru uzavře, ale protože tento proces není dokonalý, několik bází DNA se přidá nebo odstraní. Tím se původní gen – např. varianta genu spojená s rakovinou nebo s infekcí HIV – stane nefunkčním. Alternativně lze do buňky umístit jinou verzi cílového genu spolu s gRNA a Cas9. Buňka pak použije tuto alternativní sekvenci jako „šablonu“ pro opravu poškozené DNA, zkopíruje ji a začlení do genomu. Tímto způsobem by mohla být nežádoucí verze genu nahrazena žádoucí kopií.
Nedávné vědecké objevy přiblížily na dosah možnost „editace“ genomu za účelem opravy genetických variant způsobujících onemocnění. Ačkoli je na to ještě brzy, existuje naděje, že technologie editace genů mohou jednoho dne poskytnout lék na genetické choroby, jako je srpkovitá anémie, cystická fibróza nebo Huntingtonova choroba, a umožnit lidem lépe se bránit virovým infekcím (např. HIV).
CRISPR a editace zárodečné linie
Vědci použili CRISPR v buňkách člověka, rostlin a zvířat; CRISPR vlastně funguje u všech dosud zkoumaných druhů. Pozoruhodné je, že technologie CRISPR byla použita ke zvrácení příznaků u dospělé myši s poruchou jater a ke změně DNA u primátů, kteří nejsou lidmi, což jsou důležité kroky k vývoji nových genových terapií u lidí. Zatímco genetické změny vnesené do jaterní buňky nebudou zděděny v genomu žádného z budoucích potomků jedince, změny DNA vnesené do buněk, které se stanou vajíčkem nebo spermií, nebo do buněk v raném stádiu embrya mohou být předány budoucím generacím. Tato metoda je známá jako editace zárodečné linie a její perspektivy vedly k celosvětovým diskusím a debatám o tom, zda je zárodečná genetická modifikace u lidí vhodná a zda či jak by měla společnost při takovém výzkumu a případném použití postupovat.
Kritici na jedné straně zdůrazňují technické i etické problémy spojené s prováděním změn v genomu, které mohou být předány potomkům. Existují obavy, že jakýkoli nepředvídaný účinek v procesu editace se může stát dědičným. Kladou se i další otázky – máme právo měnit genom našich budoucích generací? Nevedlo by editování určitých nemocí nebo postižení ke stigmatizaci lidí, kteří s těmito stavy žijí? A kdo rozhoduje o tom, co se považuje za nemoci nebo postižení, které by měly být editovány? Zastánci zároveň tvrdí, že úprava zárodečné linie může potenciálně odstranit nemoci, jako je Huntingtonova choroba, vysilující neurologické onemocnění způsobené jedinou variantou genu. Argumentují také tím, že lidé již dlouho mění životy a genetiku svých potomků bez jejich výslovného souhlasu, a to prostřednictvím postupů, jako je genetické poradenství a preimplantační genetická diagnostika.
V prosinci 2015 svolaly Národní akademie USA, Královská akademie Spojeného království a Čínská akademie věd věd vědce, sociology, etiky a další zúčastněné strany na mezinárodní summit o úpravě lidských genů do Washingtonu. V prohlášení vydaném na závěr summitu bylo zdůrazněno, že v současné době by bylo „nezodpovědné“ pokračovat v klinickém používání editace zárodečné linie, ale nedoporučilo tuto techniku zakázat, naopak navrhlo, aby výzkum pokračoval. V únoru 2017 vydal odborný výbor Národní akademie USA pro editaci lidského genomu svou zprávu, v níž doporučil, aby výzkum a využívání somatické editace genomu pro léčbu pokračovaly podle stávajícího regulačního rámce, ale aby před rozšířením použití této technologie na „genetické vylepšování“ došlo k „širokému zapojení veřejnosti“. Současně zpráva doporučuje, aby klinické zkoušky editace zárodečného genomu pro léčbu „závažných onemocnění nebo postižení“ probíhaly až po mnohem rozsáhlejším výzkumu a pouze v případě, že budou splněna přísná technická a etická kritéria. Do budoucna zpráva zdůrazňuje potřebu dalšího zapojení veřejnosti a politické diskuse.
V současné době jsou zárodečné genetické modifikace v mnoha evropských zemích a v Kanadě nezákonné a ve Spojených státech nelze na tyto práce použít federální finanční prostředky. Od ledna 2017 získali vědci ve Spojeném království, Švédsku a Číně povolení provádět úpravy genů u lidských embryí pouze pro výzkumné účely (stávající zákony nebo směrnice v těchto zemích navíc umožňují výzkum pouze na embryích do 14 dnů po oplodnění).
V listopadu 2018 se objevily zprávy, že se v Číně narodily první děti, jejichž genomy byly upraveny pomocí CRISPRu v embryonálním stadiu, a to dvojice dvojčat. Přestože tato tvrzení dosud nebyla nezávisle potvrzena ani publikována v recenzovaných časopisech, vyvolala značnou kontroverzi. V roce 2019 vědci, etici i širší společnost nadále diskutují o dalším postupu.
CRISPR a životní prostředí
CRISPR také otevřel cestu k úpravám světa kolem nás ve prospěch lidského zdraví a našeho životního prostředí. Mezi aplikace patří možnost upravit nebo dokonce vymýtit hmyz přenášející nemoci, například komáry. Možná bude také možné znovu vytvořit dávno vyhynulá zvířata, jako je mamut srstnatý, aby se znovu potulovala po Zemi, což by podle některých vědců mohlo pomoci řešit klimatické změny. Ne všichni však souhlasí s tím, že by tyto aplikace musely být nutně „přínosem“, zatímco jiní se obávají nezamýšlených důsledků těchto akcí měnících ekosystém.
Cesta vpřed
Editace genů má významný potenciál prospět lidskému zdraví. Zároveň vyvolává hluboké otázky, které vyžadují veřejné projednání – co když provedeme změny, kterých budeme litovat? Co když se ukáže, že zdánlivě bezpečné genetické změny mají nezamýšlené důsledky? Jaké jsou standardy bezpečnosti, když se lékařská komunita snaží zkoumat tyto nástroje ve snaze snížit utrpení? Navíc, pokud se jako společnost shodneme na tom, že použití editace genomu je přijatelné, jak zajistíme, aby si všichni jednotlivci byli vědomi potenciálu těchto technologií a aby si je každý, kdo chce mít přístup k těmto technologiím, mohl dovolit? Vědci, bioetici a politici, včetně řady vědců, kteří byli průkopníky CRISPR, vyzývají k opatrnosti a potřebě veřejných konzultací a dialogu, do něhož by se zapojili také věřící, ekologičtí aktivisté a obhájci pacientů a osob se zdravotním postižením. Vzhledem k tomu, že společnost hledá rovnováhu mezi touhou realizovat výhody editace genů a řadou dalších obav, pgEd doufá, že se bude podílet na usnadnění širokých rozhovorů, které zapojí všechny komunity a zajistí, aby byly vyslyšeny různé hodnoty a hlasy.
Další informace o technických a politických otázkách týkajících se CRISPR a editace genomu naleznete zde.
Související plány výuky:
Editace genomu a CRISPR
Tvrzení o použití CRISPR k úpravě genomu dvojčat narozených v roce 2018
Engineering the world around us: Související blogy:
„Lekce pgEd o dvojčatech upravených pomocí CRISPR“ (březen 2019)
„Srpkovitá choroba a genetické inženýrství: (listopad 2017)
„Ve zprávách: Pokrok v genové terapii“ (říjen 2017)
„Ve zprávách: Vědci používají CRISPR k úpravě varianty genu způsobující onemocnění u lidských embryí“ (srpen 2017)
„In the News: (červen 2016)
„In the News: Klinické využití CRISPR je o krok vpřed“ (červen 2016)
„In the News: (březen 2016)
„In the News: První optogenetická studie na lidech bude pokračovat“ (březen 2016)
„In the News: (prosinec 2015)
„Ve zprávách: Kontrola komárů přenášejících nemoci na základě genového pohonu se blíží realitě“ (prosinec 2015)
„Ve zprávách: Potential new approach to gene therapy for sickle cell disease“ (září 2015)
Sharon Begley, „No red line against CRISPR’ing early embryos, experts rule“ (STAT, únor 2017)
David Cyranoski, „CRISPR gene-editing tested in a person for the first time“ (Nature, November 2016)
Antonio Regalado, „Meet the Moralist Policing Gene Drives, a Technology That Messes with Evolution“ (MIT Technology Review, červen 2016)
Erica Check Hayden, „Should you edit your children’s genes?“ (Nature, únor 2016)
Ed Yong, „What Can You Actually Do With Your Fancy Gene-Editing Technology?“ (Co vlastně můžete dělat s vaší fantastickou technologií na úpravu genů? (The Atlantic, prosinec 2015)
Carl Zimmer, „Editing of Pig DNA May Lead To More Organs For People“ (New York Times, říjen 2015)
Nathaniel Comfort, „Can We Cure Genetic Diseases Without Slipping Into Eugenics?“ (Můžeme léčit genetické choroby, aniž bychom sklouzli k eugenice? (The Nation, červenec 2015)
Andrew Pollack, „A Powerful New Way to Edit DNA“ (New York Times, březen 2014)