Mitä on geenimuuntelu?
Kaikki maat ja organisaatiot määrittelevät geenimuuntelun (GM) hieman eri tavoin. Yleisesti GM:llä tarkoitetaan elävän olennon geneettiseen informaatioon tehtävien muutosten tekemistä, joita ei muutoin tapahtuisi luonnollisella pariutumisella tai lisääntymisellä. Tämä tarkoittaa yleensä biotekniikan menetelmien, kuten ”rekombinantti-DNA:n”, ”geenien kohdentamisen” tai ”genomin muokkaamisen” käyttöä organismin DNA:n lisäämiseksi, poistamiseksi tai muulla tavoin muuttamiseksi. Geenimuunteluun voi liittyä myös geneettisen materiaalin siirtäminen lajien välillä.
Geenimuunneltuja organismeja (GMO), mukaan lukien mikrobeja, soluja, kasveja ja eläimiä, on jo pitkään käytetty tieteellisessä ja lääketieteellisessä tutkimuksessa keinona ymmärtää biologian prosesseja sekä sairauksien mekanismeja. Geeniteknologian käyttöä sairauksien hoitamiseksi tai muiden muutosten tekemiseksi ihmisissä, jota kutsutaan ”geeniterapiaksi”, on kokeiltu 1990-luvulta lähtien. Turvallisuus- ja valvontaviranomaiset, kuten Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkevirasto (Food and Drug Administration), ovat toistaiseksi hyväksyneet alle kourallisen näistä hoidoista.
Geniterapian käyttäminen sairauksien geneettisten syiden suoraan hoitamiseen on jo pitkään ollut lääkäreiden, tiedemiesten ja potilaiden toiveena. Joidenkin sairauksien, kuten kystisen fibroosin tai sirppisoluanemian, tiedetään suhteellisen hyvin johtuvan yksittäisten geenien muunnoksista. Näissä tapauksissa on toivoa siitä, että jos tautia aiheuttava geeni voidaan korjata tai korvata, tautia sairastavat henkilöt voidaan ehkä parantaa tai ainakin estää taudin paheneminen. Geeniterapia on kuitenkin vaikeampaa monimutkaisemmissa sairauksissa, kuten sydänsairauksissa, diabeteksessa tai monissa syöpämuodoissa, jotka johtuvat monien geenien keskinäisestä vuorovaikutuksesta sekä geenien ja ympäristön välisestä vuorovaikutuksesta.
Jotta geeniterapiaa voitaisiin käyttää yksilön sairauksien hoitamiseen syntymän jälkeen, huomattavaa osaa asianomaisten kudosten tai elinten soluista saatetaan joutua muuttamaan. Tämä asettaa teknisiä haasteita, jotka liittyvät muokkauskoneiston ja/tai geenien vaihtoehtoisten versioiden turvalliseen ja tehokkaaseen toimittamiseen kohdesoluihin ja muutosten onnistuneeseen tekemiseen solujen genomiin mahdollisimman pienin virhein. Jos muutos tehdään ”sukusoluihin” (mukaan lukien lisääntymissolut sekä alkion varhaisvaiheen solut), kaikki seuraavien sukupolvien elimistön solut perivät kyseisen muutoksen sekä kaikki prosessin aikana tehdyt virheet tai odottamattomat muutokset.
Mikä on CRISPR?
Tutkijat alkoivat 2000-luvun loppupuolelta lähtien kehittää tekniikoita, jotka tunnetaan nimellä ”genomin (tai geenin) muokkaus”. Genomin muokkauksen avulla tutkijat voivat tehdä muutoksia tiettyyn ”kohde”-kohtaan genomissa. Yksi tekniikoista, joka on herättänyt eniten innostusta tehokkuutensa ja helppokäyttöisyytensä vuoksi, on nimeltään ”CRISPR”. CRISPR on lyhenne sanoista ”clustered regularly interspaced short palindromic repeats”. CRISPR-tekniikan perustana on järjestelmä, jonka bakteerit ovat kehittäneet suojautuakseen viruksilta. Tutkijat ovat nyt ottaneet CRISPR-järjestelmän osia ja muokanneet siitä genomin muokkauksen välineen.
CRISPR-järjestelmässä on kaksi osaa: molekyyli, joka tunnetaan nimellä ”opas-RNA” (gRNA), jolla on sama sekvenssi kuin kohdekohdalla genomissa, ja ”nukleaasi” (eli DNA:ta leikkaava molekyyli) nimeltä Cas9. Kun nämä molemmat komponentit viedään soluun, gRNA sitoutuu genomin kohdekohtaan komplementaarisen emäsparin avulla (eli A:t sitoutuvat T:hen ja G:t C:hen). Prosessin aikana gRNA auttaa tuomaan Cas9:n kohdekohtaan tekemään leikkauksen DNA:n kaksoiskierteeseen. Solun luonnollinen DNA:n korjausmekanismi sulkee tämän aukon, mutta koska prosessi ei ole täydellinen, muutama DNA-emäs lisätään tai poistetaan. Tämä tekee alkuperäisestä geenistä – esimerkiksi syöpään tai HIV-infektioon liittyvästä geenimuunnoksesta – toimintakyvyttömän. Vaihtoehtoisesti kohdegeenin erilainen versio voidaan sijoittaa soluun yhdessä gRNA:n ja Cas9:n kanssa. Solu käyttää sitten tätä vaihtoehtoista sekvenssiä ”mallina” korjatakseen rikkoutuneen DNA:n, kopioidakseen sen ja sisällyttääkseen sen genomiinsa. Tällä tavoin geenin ei-toivottu versio voitaisiin korvata halutulla kopiolla.
Viimeaikaiset tieteelliset läpimurrot ovat tuoneet ulottuville mahdollisuuden genomin ”muokkaamiseen” sairauksia aiheuttavien geneettisten varianttien korjaamiseksi. Vaikka on vielä aikaista, toiveena on, että geenieditointitekniikat voisivat jonain päivänä tarjota parannuskeinon esimerkiksi sirppisoluanemian, kystisen fibroosin tai Huntingtonin taudin kaltaisiin perinnöllisiin sairauksiin ja antaa ihmisille mahdollisuuden taistella paremmin virusinfektioita (esim. HIV) vastaan.
CRISPR ja sukusolujen muokkaus
Tutkijat ovat käyttäneet CRISPR:ää ihmis-, kasvi- ja eläinperäisissä soluissa; itse asiassa CRISPR on toiminut kaikissa tähän mennessä tutkituissa lajeissa. Erityisesti CRISPR-tekniikkaa on käytetty maksasairaudesta kärsivän aikuisen hiiren oireiden korjaamiseen ja kädellisten DNA:n muuttamiseen – nämä ovat tärkeitä askeleita kohti uusien geeniterapioiden kehittämistä ihmisille. Vaikka maksasoluun tehdyt geneettiset muutokset eivät periydy yksilön tulevien jälkeläisten perimässä, DNA-muutokset, jotka on tehty soluihin, joista tulee munasoluja tai siittiöitä, tai alkion alkuvaiheen soluihin, voivat siirtyä tuleville sukupolville. Tätä kutsutaan sukusolujen muokkaamiseksi, ja sen näkymät ovat johtaneet maailmanlaajuisesti keskusteluun ja väittelyyn siitä, onko sukusolujen geneettinen muokkaus ihmisillä tarkoituksenmukaista ja pitäisikö yhteiskunnan edetä tällaisen tutkimuksen ja mahdollisen soveltamisen suhteen tai miten sen pitäisi edetä.
Yhtäältä kriitikot korostavat sekä teknisiä että eettisiä kysymyksiä, jotka liittyvät perimään tehtäviin muutoksiin, jotka voivat periytyä jälkeläisille. Huolta aiheuttaa se, että mikä tahansa muokkausprosessin ennakoimaton vaikutus voi periytyä. Lisäksi kysytään, onko meillä oikeus muuttaa tulevien sukupolvien perimää. Johtaisiko tiettyjen sairauksien tai vammojen muokkaaminen näiden sairauksien kanssa elävien ihmisten leimautumiseen? Ja kuka saa päättää, mitä pidetään sairauksina tai vammoina, joita pitäisi muokata? Samaan aikaan kannattajat väittävät, että sukusolujen muokkaus voi mahdollisesti poistaa sellaisia sairauksia kuin Huntingtonin tauti, joka on yhden geenimuunnoksen aiheuttama invalidisoiva neurologinen sairaus. He myös väittävät, että ihmiset ovat jo pitkään muuttaneet jälkeläistemme elämää ja perimää ilman heidän nimenomaista suostumustaan esimerkiksi geneettisen neuvonnan ja istutusta edeltävän geneettisen diagnostiikan kaltaisten menettelyjen avulla.
Joulukuussa 2015 Yhdysvaltain kansalliset akatemiat, Yhdistyneen kuningaskunnan kuninkaallinen akatemia ja Kiinan tiedeakatemia kutsuivat koolle tutkijat, yhteiskuntatieteilijät, eetikot ja muut sidosryhmät kansainväliseen huippukokoukseen, joka käsitteli ihmisen geenien muokkaamista ja joka pidettiin Washingtonissa. Huippukokouksen päätteeksi julkaistussa julkilausumassa korostettiin, että tällä hetkellä olisi ”vastuutonta” jatkaa sukusolujen muokkauksen kliinistä käyttöä, mutta siinä ei suositeltu tekniikan kieltämistä vaan ehdotettiin, että tutkimusta olisi jatkettava. Helmikuussa 2017 Yhdysvaltain kansallisten akatemioiden ihmisen perimän muokkausta käsittelevä asiantuntijakomitea julkaisi raporttinsa, jossa se suositteli, että somaattisen perimän muokkauksen tutkimusta ja käyttöä lääketieteellisessä hoidossa olisi jatkettava nykyisen sääntelykehyksen puitteissa, mutta että yleisön olisi annettava ”laaja panos”, ennen kuin tekniikan soveltamista laajennetaan ”geneettiseen parantamiseen”. Samalla raportissa suositellaan, että ”vakavien sairauksien tai vammojen” hoitamiseen tähtäävää sukusolujen genomimuokkausta koskevia kliinisiä kokeita tehtäisiin vasta sitten, kun tutkimusta on tehty paljon enemmän ja kun tiukat tekniset ja eettiset kriteerit ovat täyttyneet. Raportissa korostetaan, että jatkossa tarvitaan jatkuvaa julkista osallistumista ja poliittista keskustelua.
Tällä hetkellä sukusolujen geenimuuntelu on laitonta monissa Euroopan maissa ja Kanadassa, eikä tällaiseen työhön voida käyttää liittovaltion rahoitusta Yhdysvalloissa. Tammikuusta 2017 lähtien tutkijat Yhdistyneessä kuningaskunnassa, Ruotsissa ja Kiinassa ovat saaneet luvan suorittaa geenimuokkausta ihmisalkioissa vain tutkimustarkoituksiin (lisäksi näiden maiden nykyiset lait tai ohjeet sallivat vain alkioiden tutkimisen enintään 14 päivää hedelmöittymisen jälkeen).
Marraskuussa 2018 uutisoitiin, että Kiinassa on syntynyt ensimmäiset lapset, joiden perimää on muokattu CRISPR:llä alkionvaiheessa, eli kaksoset. Vaikka väitteitä ei ole vieläkään vahvistettu riippumattomasti tai julkaistu vertaisarvioiduissa lehdissä, väitteet ovat herättäneet huomattavia kiistoja. Vuonna 2019 tiedemiehet, eetikot ja yhteiskunta laajemmin jatkavat keskustelua siitä, miten asiassa edetään.
CRISPR ja ympäristö
CRISPR on myös avannut väylän muokata ympäröivää maailmaa ihmisten terveyden ja ympäristön hyväksi. Sovelluksia ovat muun muassa mahdollisuus muokata tai jopa hävittää tauteja levittävät hyönteiset, kuten hyttyset. Saattaa myös olla mahdollista luoda kauan sitten sukupuuttoon kuolleita eläimiä, kuten villamammutti, vaeltamaan jälleen maapallolla, mikä joidenkin tiedemiesten mielestä voi auttaa ilmastonmuutoksen torjunnassa. Kaikki eivät kuitenkaan ole samaa mieltä siitä, että nämä sovellukset olisivat välttämättä ”hyötyjä”, kun taas toiset ovat huolissaan näiden ekosysteemiä muuttavien toimien tahattomista seurauksista.
Tie eteenpäin
Geeninmuokkauksella on merkittävät mahdollisuudet hyödyttää ihmisten terveyttä. Samalla se herättää syvällisiä kysymyksiä, jotka vaativat julkista pohdintaa – entä jos teemme muutoksia, joita kadumme? Entä jos näennäisen turvallisilla geneettisillä muutoksilla osoittautuu olevan tahattomia seurauksia? Mitkä ovat turvallisuusstandardit, kun lääketieteellinen yhteisö pyrkii tutkimaan näitä välineitä pyrkiessään vähentämään kärsimystä? Lisäksi, jos yhteiskuntana olemme yhtä mieltä siitä, että perimän muokkaus on hyväksyttävää, miten varmistamme, että kaikki ihmiset ovat tietoisia näiden tekniikoiden mahdollisuuksista ja että kaikilla, jotka haluavat käyttää näitä tekniikoita, on varaa niihin? Tutkijat, bioeetikot ja poliittiset päättäjät, mukaan lukien useat CRISPR:n uranuurtajat, ovat kehottaneet varovaisuuteen ja siihen, että tarvitaan julkista kuulemista ja vuoropuhelua, johon osallistuisivat myös uskonnolliset johtajat, ympäristöaktivistit sekä potilaiden ja vammaisten puolestapuhujat. Kun yhteiskunta pyrkii löytämään tasapainon geenimuokkauksen hyötyjen ja monien muiden huolenaiheiden välillä, pgEd toivoo voivansa olla mukana helpottamassa laajoja keskusteluja, joissa kaikki yhteisöt ovat mukana ja joissa varmistetaan, että erilaiset arvot ja äänet tulevat kuulluiksi.
Lisätietoa CRISPR:ään ja genomin muokkaukseen liittyvistä teknisistä ja poliittisista kysymyksistä löydät täältä.
Seuraavat oppituntisuunnitelmat:
Genomin muokkaus ja CRISPR
Väitteet CRISPR:n käytöstä vuonna 2018 syntyneiden kaksostyttöjen genomien muokkaamiseen
Ympäröivän maailmamme muokkaaminen: Genomin muokkaus ja ympäristö
Seuraavat blogipostaukset:
”pgEd-tunti CRISPR-editoitujen kaksosten kohdalla” (maaliskuu 2019)
”Sirppisolusairaus ja geenitekniikka: Miniluento pgEd:stä” (marraskuu 2017)
”In the News: Edistystä geeniterapiassa” (lokakuu 2017)
”In the News: Scientists use CRISPR to edit disease-causing gene variant in human embryos” (August 2017)
”In the News: Clinical use of CRISPR takes a step forward” (June 2016)
”In the News: First optogenetics trial in humans to go ahead” (March 2016)
”In the News: Geeniohjaukseen perustuva tautia levittävien hyttysten hallinta on lähempänä todellisuutta” (Joulukuu 2015)
”In the News: Potentiaalinen uusi lähestymistapa sirppisolusairauden geeniterapiaan” (Syyskuu 2015)
Sharon Begley, ”No red line against CRISPR’ing early embryos, experts rule” (STAT, helmikuu 2017)
David Cyranoski, ”CRISPR-geeninmuokkausta testattu ensimmäistä kertaa ihmisellä” (Nature, marraskuu 2016)
Antonio Regalado, ”Meet the Moralist Policing Gene Drives, a Technology That Messes with Evolution” (MIT Technology Review, kesäkuu 2016)
Erica Check Hayden, ”Pitäisikö sinun muokata lastesi geenejä?” (Nature, helmikuu 2016)
Ed Yong, ”What Can You Actually Do With Your Fancy Gene-Editing Technology?”. (The Atlantic, joulukuu 2015)
Carl Zimmer, ”Editing of Pig DNA May Lead To More Organs For People” (New York Times, lokakuu 2015)
Nathaniel Comfort, ”Can We Cure Genetic Diseases Without Slipping Into Eugenics?” (The Atlantic, joulukuu 2015)
Nathaniel Comfort, ”Can We Cure Genetic Diseases Without Slipping Into Eugenics”? (The Nation, heinäkuu 2015)
Andrew Pollack, ”A Powerful New Way to Edit DNA” (New York Times, maaliskuu 2014)