Co to jest modyfikacja genetyczna?
Różne kraje i organizacje definiują modyfikację genetyczną (GM) nieco inaczej. Ogólnie rzecz biorąc, GM odnosi się do wprowadzania zmian w informacji genetycznej żywej istoty, które w przeciwnym razie nie wystąpiłyby w wyniku naturalnego kojarzenia lub rozmnażania. Wiąże się to zazwyczaj z wykorzystaniem metod biotechnologicznych, takich jak „rekombinacja DNA”, „ukierunkowanie genów” lub „edycja genomu” w celu dodania, usunięcia lub innej zmiany DNA organizmu. Modyfikacja genetyczna może również obejmować przenoszenie materiału genetycznego między gatunkami.
Organizmy zmodyfikowane genetycznie (GMO), w tym mikroby, komórki, rośliny i zwierzęta, od dawna są wykorzystywane w badaniach naukowych i medycznych jako sposób na zrozumienie procesów w biologii, a także mechanizmów chorób. Próby wykorzystania technologii genetycznych do leczenia chorób lub wprowadzania innych modyfikacji u ludzi, zwane „terapią genową”, podejmowane są od lat 90-tych. Mniej niż garstka tych terapii została do tej pory zatwierdzona przez agencje bezpieczeństwa i regulacyjne, takie jak Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków.
Użycie terapii genowej do bezpośredniego leczenia genetycznych przyczyn chorób od dawna było aspiracją lekarzy, naukowców i pacjentów. Niektóre choroby, takie jak mukowiscydoza czy niedokrwistość sierpowatokrwinkowa, są stosunkowo dobrze poznane jako powodowane przez warianty w pojedynczych genach. W takich przypadkach istnieje nadzieja, że jeśli uda się skorygować lub zastąpić gen wywołujący chorobę, możliwe będzie wyleczenie osób cierpiących na daną chorobę lub przynajmniej zapobieganie jej pogłębianiu się. Terapia genowa jest jednak trudniejsza w przypadku bardziej złożonych schorzeń, takich jak choroby serca, cukrzyca lub wiele form raka, które wynikają z wzajemnego oddziaływania wielu genów oraz genów i środowiska.
Aby zastosować terapię genetyczną w leczeniu chorób występujących u danej osoby po urodzeniu, konieczna może być modyfikacja znacznej części komórek w odpowiednich tkankach lub narządach. Stanowi to techniczne wyzwanie, aby bezpiecznie i skutecznie dostarczyć maszyny modyfikujące i/lub alternatywne wersje genów do komórek docelowych oraz aby z powodzeniem dokonać zmian w genomie komórek przy minimalnej ilości błędów. Jeśli modyfikacja jest dokonywana w „linii zarodkowej” (włączając w to komórki reprodukcyjne, jak również komórki we wczesnych stadiach embrionów), wtedy wszystkie komórki w ciele kolejnych pokoleń odziedziczą tę modyfikację, jak również każdy błąd lub nieoczekiwaną zmianę dokonaną podczas procesu.
Co to jest CRISPR?
Od późnych lat 2000 naukowcy zaczęli rozwijać techniki znane jako „edycja genomu (lub genu)”. Edycja genomu pozwala naukowcom na wprowadzanie zmian w określonym miejscu „docelowym” w genomie. Jedną z technik, które wzbudziły największe emocje, ze względu na swoją skuteczność i łatwość użycia, jest technika zwana „CRISPR”. CRISPR to skrót od „clustered regularly interspaced short palindromic repeats”. Podstawą technologii CRISPR jest system, który bakterie wyewoluowały, aby chronić się przed wirusami. Naukowcy wykorzystali składniki systemu CRISPR i przekształcili go w narzędzie do edycji genomu.
Są dwa składniki systemu CRISPR: cząsteczka zwana „prowadzącym RNA” (gRNA), która ma taką samą sekwencję jak miejsce docelowe w genomie; oraz „nukleaza” (tj. cząsteczka tnąca DNA) zwana Cas9. Kiedy oba te składniki są dostarczane do komórki, gRNA wiąże się z docelowym miejscem w genomie poprzez komplementarne parowanie zasad (co oznacza, że litery A łączą się z literami T, a litery G łączą się z literami C). W tym procesie, gRNA pomaga wprowadzić Cas9 do miejsca docelowego, aby dokonać cięcia podwójnej helisy DNA. Naturalny mechanizm naprawy DNA komórki zamknie tę lukę, ale ponieważ proces ten nie jest doskonały, kilka zasad DNA zostanie dodanych lub usuniętych. Powoduje to, że oryginalny gen – np. wariant genu związany z rakiem lub z infekcją wirusem HIV – staje się niefunkcjonalny. Alternatywnie, inna wersja docelowego genu może być umieszczona w komórce razem z gRNA i Cas9. Komórka użyje wtedy tej alternatywnej sekwencji jako „szablonu” do naprawy uszkodzonego DNA, kopiując i włączając ją do genomu. W ten sposób niepożądana wersja genu może zostać zastąpiona pożądaną kopią.
Niedawne przełomy naukowe przyniosły możliwość „edycji” genomu w celu naprawy powodujących choroby wariantów genetycznych. Choć wciąż jest na to za wcześnie, istnieje nadzieja, że technologie edycji genów mogą pewnego dnia zapewnić lekarstwo na choroby genetyczne, takie jak anemia sierpowata, mukowiscydoza czy choroba Huntingtona, i umożliwić ludziom lepszą walkę z infekcjami wirusowymi (np. HIV).
CRISPR i edycja linii zarodkowej
Badacze zastosowali CRISPR w komórkach ludzkich, roślinnych i zwierzęcych; w rzeczywistości CRISPR działa u wszystkich zbadanych do tej pory gatunków. W szczególności technologia CRISPR została wykorzystana do odwrócenia objawów u dorosłej myszy z zaburzeniami wątroby oraz do zmiany DNA u zwierząt naczelnych – co stanowi ważny krok w kierunku opracowania nowych terapii genowych u ludzi. Podczas gdy zmiany genetyczne wprowadzone do komórki wątroby nie będą dziedziczone w genomie żadnego z przyszłych potomków danej osoby, zmiany DNA wprowadzone do komórek, które staną się komórkami jajowymi lub plemnikami, lub do komórek we wczesnych stadiach embrionów, mogą być przekazywane kolejnym pokoleniom. Jest to znane jako edycja linii zarodkowej, a jej perspektywy doprowadziły do dyskusji i debaty na całym świecie na temat tego, czy genetyczna modyfikacja linii zarodkowej u ludzi jest odpowiednia i czy lub jak społeczeństwo powinno postępować z takimi badaniami i możliwym zastosowaniem.
Z jednej strony, krytycy podkreślają zarówno techniczne, jak i etyczne problemy z dokonywaniem zmian w genomie, które mogą być przekazywane potomstwu. Istnieją obawy, że każdy nieprzewidziany efekt w procesie edycji może zostać odziedziczony. Pojawiają się też inne pytania – czy mamy prawo zmieniać genom naszych przyszłych pokoleń? Czy edytowanie pewnych chorób lub niepełnosprawności doprowadziłoby do stygmatyzacji osób, które z nimi żyją? I kto będzie decydował o tym, jakie choroby lub niepełnosprawności powinny być poddane edycji? Jednocześnie zwolennicy argumentują, że modyfikacja linii zarodkowej może potencjalnie wyeliminować choroby takie jak choroba Huntingtona, wyniszczające schorzenie neurologiczne spowodowane jednym wariantem genu. Argumentują również, że ludzie od dawna zmieniają życie i genetykę naszego potomstwa bez ich wyraźnej zgody, poprzez procedury takie jak doradztwo genetyczne i preimplantacyjna diagnostyka genetyczna.
W grudniu 2015 r., Amerykańskie Narodowe Akademie, Brytyjska Akademia Królewska i Chińska Akademia Nauk zwołały naukowców, naukowców społecznych, etyków i innych zainteresowanych stron na Międzynarodowy Szczyt na temat edycji ludzkiego genu w Waszyngtonie. W oświadczeniu wydanym na zakończenie szczytu podkreślono, że obecnie byłoby „nieodpowiedzialne” kontynuowanie klinicznego wykorzystania edycji linii zarodkowej, ale nie zalecono zakazu stosowania tej techniki, sugerując w zamian, że badania powinny być kontynuowane. W lutym 2017 r. komitet ekspertów amerykańskich Akademii Narodowych ds. edycji genomu ludzkiego opublikował swój raport, zalecając, aby badania nad edycją genomu somatycznego i jej wykorzystaniem w leczeniu były kontynuowane w ramach istniejących ram regulacyjnych, ale przed rozszerzeniem zastosowania tej technologii na „ulepszanie genetyczne” należy uzyskać „szeroki wkład społeczeństwa”. Jednocześnie raport zaleca, aby próby kliniczne w zakresie edycji genomu linii zarodkowej w celu leczenia „poważnych chorób lub niepełnosprawności” były prowadzone dopiero po przeprowadzeniu większej ilości badań i tylko wtedy, gdy spełnione zostaną rygorystyczne kryteria techniczne i etyczne. Idąc dalej, raport podkreśla potrzebę ciągłego zaangażowania publicznego i debaty politycznej.
Obecnie, genetyczna modyfikacja linii zarodkowej jest nielegalna w wielu krajach europejskich i w Kanadzie, a finansowanie federalne w Stanach Zjednoczonych nie może być wykorzystywane do takich prac. Od stycznia 2017 r. naukowcy w Wielkiej Brytanii, Szwecji i Chinach otrzymali zgodę na przeprowadzanie edycji genów w ludzkich embrionach wyłącznie do celów badawczych (ponadto istniejące przepisy lub wytyczne w tych krajach zezwalają jedynie na badania na embrionach do 14 dni po zapłodnieniu).
W listopadzie 2018 r. pojawiły się doniesienia, że w Chinach urodziły się pierwsze dzieci, których genomy zostały edytowane za pomocą CRISPR w fazie embrionalnej, para bliźniąt. Chociaż twierdzenia te nadal nie zostały niezależnie potwierdzone ani opublikowane w recenzowanych czasopismach, wzbudziły one znaczne kontrowersje. W 2019 roku naukowcy, etycy i szersze społeczeństwo nadal debatują nad ścieżką naprzód.
CRISPR i środowisko
CRISPR otworzył również drogę do inżynierii otaczającego nas świata z korzyścią dla zdrowia ludzkiego i naszego środowiska. Zastosowania obejmują możliwość modyfikowania lub nawet eliminowania owadów roznoszących choroby, takich jak komary. Możliwe jest również odtworzenie dawno wymarłych zwierząt, takich jak mamut wełnisty, aby ponownie przemierzały Ziemię, co zdaniem niektórych naukowców może pomóc w rozwiązaniu problemu zmian klimatycznych. Jednak nie wszyscy zgadzają się, że te zastosowania byłyby koniecznie „korzyścią”, podczas gdy inni martwią się o niezamierzone konsekwencje tych zmieniających ekosystem działań.
Droga naprzód
Edycja genów ma znaczny potencjał, aby przynieść korzyści dla zdrowia ludzkiego. Jednocześnie rodzi głębokie pytania, które wymagają publicznej deliberacji – co jeśli dokonamy zmian, których będziemy żałować? Co jeśli pozornie bezpieczne zmiany genetyczne okażą się mieć niezamierzone konsekwencje? Jakie są standardy bezpieczeństwa, gdy społeczność medyczna stara się badać te narzędzia w celu zmniejszenia cierpienia? Co więcej, jeśli jako społeczeństwo zgodzimy się, że zastosowanie edycji genomu jest dopuszczalne, jak zapewnimy, że wszystkie jednostki będą świadome potencjału tych technologii i że każdy, kto chce mieć do nich dostęp, będzie mógł sobie na nie pozwolić? Naukowcy, bioetycy i decydenci, w tym wielu naukowców, którzy byli pionierami CRISPR, wzywają do ostrożności i potrzeby konsultacji publicznych oraz dialogu, w którym uczestniczą również przywódcy religijni, działacze ekologiczni oraz obrońcy pacjentów i osób niepełnosprawnych. W miarę jak społeczeństwo poszukuje równowagi pomiędzy pragnieniem realizacji korzyści płynących z edycji genów a szeregiem innych obaw, pgEd ma nadzieję odegrać rolę w ułatwianiu szerokich rozmów, które angażują wszystkie społeczności i zapewniają, że różnorodne wartości i głosy są słyszalne.
Aby dowiedzieć się więcej o kwestiach technicznych i politycznych wokół CRISPR i edycji genomu, kliknij tutaj.
Powiązane scenariusze lekcji:
Edycja genomu i CRISPR
Oświadczenia o wykorzystaniu CRISPR do edycji genomów bliźniaczek urodzonych w 2018 roku
Inżynieria otaczającego nas świata: Genome editing and the environment
Related blogposts:
„Lekcja pgEd o bliźniaczkach edytowanych metodą CRISPR” (marzec 2019)
„Choroba sierpowatokrwinkowa i inżynieria genetyczna: Mini-lekcja z pgEd” (listopad 2017)
„In the News: Postępy w terapii genowej” (październik 2017)
„In the News: Scientists use CRISPR to edit disease-causing gene variant in human embryos” (sierpień 2017)
„In the News: Kliniczne zastosowanie CRISPR robi krok naprzód” (czerwiec 2016)
„In the News: Pierwsza próba optogenetyki u ludzi do przodu” (marzec 2016)
„In the News: Gene drive-based control of disease-carrying mosquitoes edges closer to reality” (grudzień 2015)
„In the News: Potential new approach to gene therapy for sickle cell disease” (wrzesień 2015)
Sharon Begley, „No red line against CRISPR’ing early embryos, experts rule” (STAT, luty 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, June 2016)
Erica Check Hayden, „Should you edit your children’s genes?” (Nature, luty 2016)
Ed Yong, „What Can You Actually Do With Your Fancy Gene-Editing Technology?” (The Atlantic, grudzień 2015)
Carl Zimmer, „Editing of Pig DNA May Lead To More Organs For People” (New York Times, październik 2015)
Nathaniel Comfort, „Can We Cure Genetic Diseases Without Slipping Into Eugenics?” (The Nation, lipiec 2015)
Andrew Pollack, „A Powerful New Way to Edit DNA” (New York Times, marzec 2014)
.