Учените представиха CRISPR на света като инструмент за редактиране на гени през лятото на 2012 г., когато забележителни документи от две независими групи демонстрираха как системата може да бъде използвана, за да прави съкращения в ДНК. Сега, по-малко от 12 години по-късно, виждаме CRISPR използвани за новаторски медицински лечения.
Виргиниус Шикснис беше старши автор на един от тези документи за промяна на парадигмата.
„Наистина е възнаграждаващо да видим колко бързо фундаменталните открития, направени в лабораторията, всъщност се пренасят в клиниките“, каза Шикшнис, който е главен учен и ръководител на отдела за взаимодействия протеин-ДНК в Института по биотехнологии на Вилнюския университет в Литва.
Преди тези основополагащи статии други изследователи бяха започнали да разкриват как CRISPR работи вътре в микробите. Въпреки че е най-известен като инструмент за редактиране на гени, CRISPR е открит за първи път в бактериии учените осъзнаха, че той действа като вид имунна система – защита срещу вируси. В тази имунна система бактерията има банка памет, пълна с генетичен материал на вируса. Бактерията ще скрие този материал, след като бъде атакувана от вирус, за да може да се предпази от бъдещи нашествия.
Тази банка памет е съчетана с малки молекулярни ножици, наречени Cas протеини, които преминават през ДНК, и молекула, която насочва ножиците към тяхната цел. При бактериите тази цел е вирусен нашественик. Но Шикшнис и колегите му демонстрираха, че учените могат да използват тези ножици за свои собствени цели, насочвайки се към всяка ДНК, която искат да редактират. Те специално показаха това с протеина Cas9.
наред Дженифър Дудна и Еманюел Шарпентие – автори на другата новаторска хартия за CRISPR публикувано през 2012 г. — Sišknys бе удостоен с наградата Kavli за 2018 г. в областта на нанонауките за изобретяването на CRISPR-Cas9, „прецизен наноинструмент за редактиране на ДНК“. Днес той и неговият екип изследват разнообразието от CRISPR системи, които съществуват в природата, за да видят кои други могат да бъдат полезни за инженерните геноми.
Live Science разговаря с Šikšnys за това какво е било да видиш CRISPR да влезе в клинична употреба и как той смята, че системата може да бъде приложена и подобрена в бъдеще.
Бележка на редактора: Това интервю е съкратено и редактирано за яснота.
Свързани: Генна терапия: какво е това и как работи?
Николета Ланезе: Бихте ли описали кога за първи път започнахте да работите с CRISPR-Cas? И бихте ли могли да дадете представа кога сте се досетили за идеята, че това може да е „голяма работа“ – технология с голям билет, която измества редактирането на гени, както го познаваме?
Виргиниус Шикснис: Влязохме в областта на CRISPR, бих казал, от самото начало. Това се случи вероятно през 2007 г когато се появи статия в Science, описвайки за първи път възможната функция на системата CRISPR-Cas като антивирусна защитна система в бактериите. И решихме да разгледаме всъщност как функционира тази система. Ето как започнахме нашето CRISPR пътуване.
Разбира се, в самото начало се интересувахме много от много основни биологични въпроси. … Отне ни известно време, за да разберем механизмите зад системите CRISPR-Cas. …
в [our 2012] хартия, ние показахме, че можем да препрограмираме протеин Cas9 и да го адресираме към всяка последователност в генома. Вероятно това беше моментът, в който разбрахме, че това наистина е един вид наистина многостранна система, която може да се използва за редактиране на генома в различни моделни организми. И ето как тогава започна този вид поле за редактиране на гени.
NL: Представихте ли си веднага, че това може да се приложи при лечението на генетични заболявания? Видяхте ли това като възможност, дори в началото?
СРЕЩУ: Ако си спомням какво поставихме в нашата статия по това време – казахме, че тези системи CRISPR-Cas или протеин Cas9, програмиран от CRISPR РНКможе да се използва за прецизна „ДНК хирургия“.
Това означава, че всъщност можете да насочите Cas9 към всяка последователност в генома, включително последователностите, където [there are] мутации, които причиняват генетични заболявания.
NL: След като през последната година видях първите базирани на CRISPR терапии да излизат на пазара — чудя се какво е усещането да видя напредъка в областта от това фундаментално изследване до това, че сега го виждам прилагано на това ниво?
СРЕЩУ: Наистина, поглеждайки назад, наистина е удивително да видим, че Cas9 успя да влезе в клиниките почти за 10 години. Мисля, че това е наистина страхотно постижение и съм сигурен, че в близко бъдеще ще последват още терапевтични приложения и ще осигурят лечение[s] за генетични заболявания, които преди са били нелечими.
И ако погледнете на списък на клиничните изпитвания които в момента продължават, където инструментът за редактиране на геном Cas9 се използва за лечение на различни генетични заболявания – списъкът е наистина много впечатляващ. И наистина е възнаграждаващо да се види колко бързо фундаменталните открития, направени в лабораторията, всъщност се пренасят в клиниките.
NL: След като видяхте дипломирането в клиниката сега, как очаквате системите за редактиране на гени, базирани на CRISPR-Cas, да бъдат усъвършенствани в бъдеще?
СРЕЩУ: Наистина, технологията CRISPR-Cas9 е страхотен инструмент, който бързо навлиза в клиниките. Но все пак има няколко предизвикателства, които трябва да бъдат преодолени, и има, разбира се, пътища за подобряване на този инструмент. …
Наскоро направи заглавия, че този инструмент CRISPR се използва за лечение на SCD заболяване [sickle-cell disease]. Всъщност, [it] показа, че това наистина е инструмент, който може да се използва в клиниките за лечение на пациенти.
Но разбира се, това лечение има няколко ограничения, тъй като в този случай лечението се извършва ex vivo. Това означава, че клетките, които трябва да бъдат третирани, се отстраняват от тялото на пациента, след което се прилага инструмент Cas9 за коригиране на мутацията – или всъщност, задейства производството на фетален хемоглобин. И след това тези конструирани клетки, те трябва да бъдат доставени обратно в тялото на пациента. И разбира се, това е доста предизвикателна и отнемаща време процедура.
Така че, разбира се, би било чудесно, ако лечението с CRISPR може да се извърши директно вътре [the] човешко тяло — ние го наричаме in vivo. Но всъщност, за да направите това, трябва да преодолеете няколко предизвикателства: Първо, трябва да доставите този CRISPR инструмент в специфични тъкани или органи в човешкото тяло. И разбира се, има много начини за предоставяне на CRISPR инструменти, но след COVID, иРНК ваксините бяха одобрени като терапевтичен метод за лечение [prevention] на COVID. И в момента иРНК, свързана с липидни наночастици, се превърна в един от ключовите модалности, които могат да доставят Cas9 в различни клетки и тъкани в човешкото тяло.
[Other] системите за доставка също са [being] изследвани, включително вирусоподобни частици и адено-асоциирани вируси. Така че AAV също се използват като инструменти за доставяне и са одобрени като инструменти за безопасно доставяне в човешкото тяло – но, например, в случая на AAV има ограничение на опаковъчния товар и трябва да намерите по-малки инструменти за редактиране на гени, които могат да бъдат опаковани в една AAV частица.
Всъщност в моята лаборатория разглеждаме пътищата – как да подобрите съществуващите инструменти или всъщност да намерите нови инструменти? За да намерим нови инструменти, ние разглеждаме разнообразието от системи CRISPR-Cas. Тези CRISPR-Cas системи [in nature] са много, много разнообразни и ние се стремим да разберем това разнообразие от системи CRISPR-Cas от фундаментална гледна точка. Освен това се надяваме, че като гледаме това разнообразие, ще можем да намерим нови инструменти за приложения за редактиране на генома.
Свързани: Запознайте се с „Fanzor“, първата подобна на CRISPR система, открита в сложния живот
NL: Бихте ли нарисували картина на това как изглежда да се разровите в разнообразието от тези системи?
СРЕЩУ: В моята лаборатория използваме комбиниран биохимичен подход, базиран на биоинформатика. Така че ние се опитваме да идентифицираме предполагаеми нови CRISPR-Cas системи биоинформатично и след това се опитваме да ги характеризираме биохимично, използвайки инструментите, налични в мокрите лаборатории. …
Първо, разглеждаме [microbial DNA] последователности, които присъстват в наистина огромни бази данни – можете просто да опитате да намерите нови CRISPR системи там. След това се опитваме да ги експресираме в различни бактерии, да ги изолираме, характеризираме и след това да ги преместим в човешки клетки, за да видим дали могат да бъдат приложени като нови инструменти за модифициране на генома.
NL: Докоснахме сърповидно-клетъчните лечения, които току-що бяха одобрени — чудя се дали вие, като другите, очаквахте, че сърповидно-клетъчните ще бъдат едно от първите заболявания, които ще получат лечение с CRISPR? И кои заболявания виждате като следващата граница?
СРЕЩУ: Бих казал, че беше ясно от самото начало, че генетичните заболявания, причинени от една мутация, като сърповидно-клетъчната болест, ще бъдат първата цел. Изглеждаше като ниско висящ плод, защото трябва да коригирате само една единствена мутация в генома. И разбира се, мисля, че част от заслугата за това базирано на Cas9 лечение на сърповидно-клетъчна анемия трябва да бъде и към хората, които са изучавали сърповидно-клетъчна анемия в продължение на десетилетия. Те ни предоставяха разбиране за механизмите на болестта, които бяха впрегнати в лечението.
Другата причина, поради която SCD беше ясна цел, беше защото, както споменах преди, вие можете да извършите лечението [ex] vivo. Можете да премахнете клетки, които съдържат [the] мутация, всъщност ги проектира в лабораторията и връща клетките обратно в човешкото тяло. Така че това улеснява манипулациите.
Но разбира се, когато мислите за следващата стъпка – лечението на генетични заболявания, причинени от множество мутации, като рак, например, все още е предизвикателство. Но разбира се, учените се опитват да разработят подходи как да се справят с такова сложно генетично заболяване. И, например, базираните на Т-клетки терапии вече са в клиниките и CRISPR [systems] се използват там за улесняване на инженерството от тези Т-клетки… които могат да се използват за лечение на рак като лимфоми и солидни тумори.
И разбира се, лечението с CRISPR в човешкото тяло, както обсъждах преди, е следващата голяма стъпка.
Красотата на технологията CRISPR-Cas9 е, че това е един вид универсална или универсална технология, защото можете да използвате този инструмент, за да проектирате всеки жив организъм.
Виргиниус Шикшнис, Вилнюски университет
NL: Това е донякъде тангенциално, но ние покрихме идеята за разработване на CRISPR като антибактериално средствокато вид алтернативен антибиотик – виждате ли това като плодотворна изследователска област?
СРЕЩУ: Красотата на технологията CRISPR-Cas9 е, че това е един вид универсална или универсална технология, защото можете да използвате този инструмент, за да проектирате всеки жив организъм. Вие просто се опитвате да проектирате ДНК, а ДНК е планът на всеки жив организъм. Така че вместо да правите редактиране на гени в човешките клетки, можете също да помислите за извършване на редактиране на бактериална популация – да кажем, че присъстват в [the] човешки черва. И тези бактериални популации могат да бъдат конструирани. …
И както споменахте, технологиите Cas9, CRISPR могат да се използват и като антивирусни средства. В момента, проблемът с антибиотиците е доста ясен — вероятно губим битката си срещу бактериите, използващи антибиотици. Винаги са необходими нови антибиотици и наистина е трудно да се намерят, предизвикателство и скъпо. Следователно, алтернативни технологии като вирусни терапии или са разработени антибактериални системи CRISPR.
NL: Очевидно CRISPR има толкова голям потенциал, особено в сферата на лечението на генетични заболявания – мисля, че хората също имат много въпроси относно етиката на прилагането на CRISPR в различни контексти. Бихте ли говорили за това?
VS: Мисля, че това е много важен въпрос и, разбира се, CRISPR е много важна технология и можете да използвате CRISPR, за да правите много неща. Но, разбира се, трябва да имате предвид какво правите и трябва да сте във връзка и да разговаряте с обществото — Приемливи ли са тези неща? Или какви са възгледите на обществото за тези технологии, които учените разработват в лабораторията? Мисля, че е много важно да общуваме с хората и да обясняваме всъщност какви са тези технологии, какво могат да постигнат и какви могат да бъдат недостатъците на тези технологии.
Вече чухме за тези истории, че CRISPR е бил използван преди няколко години в Китай за инженерство на човешки ембриони – така че това е линия, която учените всъщност са съгласни да не преминават, защото това може да бъде наистина опасно нещо.
Някога се чудите защо някои хора изграждат мускули по-лесно от други или защо луничките излизат на слънце? Изпратете ни вашите въпроси за това как функционира човешкото тяло [email protected] с тема „Health Desk Q“ и може да видите отговор на въпроса си на уебсайта!