Reklama

Przed pojawieniem się biologii molekularnej, genetycy podchodzili do poznania natury organizmów żywych głównie drogą eksperymentalną. Hodowali rośliny i zwierzęta o różnych cechach i obserwowali, które z nich pojawiają się u potomstwa. Naukowcy wiedzieli, że w organizmach rozmnażających się płciowo cechy te są przekazywane w komórkach płciowych. Pod koniec XIX wieku ich podejrzenia skupiły się na chromosomach. Przez wiele lat natura tych struktur pozostawała tajemnicą. Do czasu.

Rak zapisany w genach

- Wszystkie ludzkie choroby są pochodzenia genetycznego, a ściślej mówiąc: są one wynikiem interakcji między naszymi genami a środowiskiem - mówi prof. Paul Berg, biochemik z Uniwersytetu Stanforda i dyrektor Centrum Medycyny Molekularnej i Genetycznej Stanforda. Przypadki, w których jest to najbardziej oczywiste, to choroby powodujące poważne zaburzenia liczby lub rozmieszczenia chromosomów. Klasycznym przykładem jest zespół Downa, w którym dodatkowa kopia jednego z najmniejszych ludzkich chromosomów powoduje upośledzenie umysłowe, wrodzone wady serca i zwiększoną podatność na infekcje. Inne choroby tego typu wynikają z dodatkowych kopii chromosomów, brakujących chromosomów lub chromosomów, w których informacja genetyczna została zniekształcona przez wstawienie, usunięcie lub inne zmiany (często losowe).

Reklama

Choroby dziedziczone dominująco występują, gdy osobnik otrzymuje wadliwy gen od jednego z rodziców. Innymi słowy, obecność jednego sprawnego genu w parze na chromosomie nie wystarcza, aby przezwyciężyć wpływ genu wadliwego. Przykładem jest tu rodzinna hipercholesterolemia, w której niezdolność do usuwania cholesterolu z krwi może spowodować śmiertelny zawał serca już u 18-miesięcznego dziecka. Osoba z chorobą dziedziczoną dominująco (nosiciel) ma 50 proc. szans na przekazanie jej dziecku.

Naukowcy zidentyfikowali ponad 3000 tego typu chorób. Chociaż występują rzadko, wpływają na ponad 1 proc. niemowląt (urodzenia żywe) i powodują prawie 10 proc. zgonów wśród dzieci. Rola genetyki nie jest tak kluczowa w chorobach wielogenowych, które obejmują interakcje wielu genów ze środowiskiem. Przykłady to choroby, które na ogół nie są łączone z genami - nadciśnienie, schizofrenia, depresja maniakalna, cukrzyca młodzieńcza, choroby serca czy reumatoidalne zapalenie stawów. Biolodzy wiedzą, że choroby te można odziedziczyć, ponieważ badają ich występowanie w obrębie rodzin, ale nie znają tożsamości większości genów zaangażowanych w ich rozwój.

Profesor Berg jest jednym z tych uczonych, którzy nowotwory uznają za choroby genetyczne, mimo że nie są chorobami dziedzicznymi. To dlatego, że każda dysfunkcja wzrostu i reprodukcji komórek (a takie obserwujemy w nowotworach) ma swoje podłoże w zaburzeniu przepływu sygnałów genetycznych. Podobnie jak niewłaściwe działanie układu odpornościowego, mechanizmów naprawczych DNA i przetwarzaniu czynników rakotwórczych - wszystko to jest pochodną zmian na poziomie genetycznym. Według profesora Berga nawet choroby zakaźne można postrzegać jako choroby genetyczne.

Czytanie z chorób

Biologia pokazała już niesamowitą precyzję, jaką może zaoferować w analizie chorób genetycznych. Naukowcy wciąż jednak muszą się wiele nauczyć. Z ponad 3000 obecnie rozpoznanych chorób monogenowych, konkretny gen odpowiedzialny za powstanie defektu został zidentyfikowany tylko w ok. 100 przypadkach. Geny biorące udział w rozwoju chorób wielogenowych to prawdziwa terra incognita - ich całkowite wyeliminowanie prawdopodobnie nigdy nie będzie możliwe, chociaż zmniejszenie ryzyka wystąpienia, jak najbardziej.

Wszelkie modyfikacje w genach nie są sytuacjami typu 0 i 1. Jeżeli dojdzie do niej w danym genie, nie oznacza to od razu wystąpienia choroby, a wkroczenie organizmu na ścieżkę, która tę chorobę powoduje. Aby zrozumieć, które geny są ważne w rozwoju poszczególnych chorób, konieczne jest opracowywanie map ludzkich chromosomów. Są one jak mapy kartograficzne, odwzorowujące ukształtowanie powierzchni i ułatwiające przemieszczanie się w terenie. Jeszcze 30 lat temu biolodzy mogli o nich tylko pomarzyć.

Ogromne znaczenie w rozwoju genetyki przypisuje się projektowi poznania ludzkiego genomu (Human Genome Project, HGP). Rozpoczęty w 1990 r. miał na celu poznanie sekwencji wszystkich "cegiełek" DNA, czyli ok. 22 000 genów. W 2000 r. ukończono mapowanie 90 proc. ludzkiego genomu, a w 2003 r. gotowa była pełna sekwencja z dokładnością większą niż 99,99 proc. To oznacza mniej niż jedną pomyłkę na 10 000 "genetycznych liter". Całkowite koszty realizacji projektu pochłonęły blisko 3 mld dol.

To wszystko zaowocowało rozwojem genetyki komercyjnej i testami genetycznymi, które za kilkaset złotych może zrobić każdy. Na świecie, ale także i w Polsce, jak grzyby po deszczu wyrosły firmy specjalizujące się w badaniach genetycznych metodą PCR, które za stosowną opłatą sprawdzą naszą podatność na otyłość, laktozę, cukier i tysiące innych czynników. To niesamowity progres, który dosłownie dokonał się na naszych oczach - poznanie genomu kosztowało miliardy dolarów, dziś za kompletną sekwencję zapłacimy kilkaset złotych. Postęp był możliwy dzięki usprawnieniu metod sekwencjonowania, ale przede wszystkim dlatego, że naukowcy wreszcie wiedzieli czego szukać. To tak, jak podczas pierwszego spaceru z latarką po trasie, którą wcześniej przechodziliśmy setki razy w całkowitych ciemnościach. A to dopiero początek. Prawdziwą rewolucję w genetyce zaoferuje metoda CRISPR/Cas9.

Nożyczki do spraw specjalnych

Dzisiaj jesteśmy w stanie dokonywać zmiany na jednym z najbardziej podstawowych poziomów, jakie znamy -  możemy modyfikować "kod życia". Stało się to możliwe dzięki odkrytej w 2012 r. technice edycji genomu znanej jako CRISPR/Cas9. Pozwala ona wycinać "zepsute" geny, a w ich miejsce wstawiać te właściwe. Dzięki temu realna jest zmiana genów w dowolnej komórce dowolnego gatunku bez ingerencji w pozostałe. Technika ta jest nie tylko niezwykle precyzyjna, ale i tania, więc w niedalekiej przyszłości podzieli los wspomnianych wcześniej map genomu.

CRISPR/Cas9 umożliwi ochronę naszych uprawy przed suszą i szkodnikami, a nawet produkcję jedzenia na Marsie, ale największy potencjał ma w medycynie. Naukowcy marzą o usuwaniu chorób monogenowych u ludzi i innych gatunków, a kiedyś ma być możliwe nawet odwrócenie procesu starzenia. Jest to jednak broń obosieczna. Wiele osób obawia się inżynierii genetycznej i postrzega technikę CRISPR/Cas9 jako zagrożenie. A jest ono realne, co pokazuje przykład He Jiankui, chińskiego naukowca, który w 2018 r. ogłosił, że zmodyfikował DNA dwóch dziewczynek w celu ochrony ich przed wirusem HIV. Nie wzmocnienia pamięci, obdarzenia superwzrokiem czy innymi mocami, ale w celu ochrony przed potencjalnie śmiertelną chorobą. Trzy lata więzienia, ponad 400 000 dol. grzywny i dożywotni zakaz wykonywania zawodu - to kara, jaką sąd w Shenzhen nałożył na He Jiankui za nielegalną praktykę medyczną. Ale jeszcze gorsza wydaje się być stygmatyzacja przez opinię publiczną i notoryczne nazywanie go Dr. Frankensteinem. Zapominamy, że postęp (zwłaszcza w medycynie) często wymaga niekonwencjonalnego podejścia.

Oberwało się technice CRISPR/Cas9, która pozwoliła na te wszystkie operacje uznane za nieetyczne. Edward Perello, dyrektor ds. biznesowych DeskGen, jednej z największych platform badawczych zajmujących się CRISPR/Cas9, a jednocześnie biolog z Uniwersytetu w Cambridge, powiedział: - Pojawi się prasa i powie: naukowcy projektują dzieci, w przyszłości będzie można wybierać kolor oczu, a nawet IQ. Dlatego ludzie są tak sceptyczni i boją się tego, co będzie - twierdzi Perello. Wiele obaw związanych z CRISPR/Cas9 zniknie, gdy proces ten zostanie odpowiednio zrozumiany. Jest to o tyle istotne, że technika CRISPR/Cas9 daje potężne możliwości terapeutyczne. Korzystanie z niej może prowadzić do pionierskich odkryć i zmiany życia milionów ludzi na całym świecie. Jak więc naprawdę działa CRISPR/Cas9?

CRISPR/Cas9 - co to jest?

W najbardziej podstawowym znaczeniu, inżynieria genetyczna polega na znajdowaniu błędów, a następnie usuwaniu ich, gdy powodują problemy. To tak, jak poszukiwanie błędów w kodzie źródłowym gry, które mogą uniemożliwić prawidłową rozgrywkę. CRISPR/Cas9 nie oznacza zatem "projektowanie dzieci" per se, a po prostu poprawienie błędów w genomie.

- Jest to fundament naszych obecnych praktyk dotyczących CRISPR/Cas9, głównie ze względu na obecne rozumienie (lub jego brak) edycji DNA i możliwości samej techniki - mówi Perello. W teorii moglibyśmy wyciąć z DNA fragmenty, które determinują powstawanie konkretnych chorób, ale obecnie daleko nam do tego. Na tym etapie zaawansowania prac naukowcy modyfikują geny w komórkach i sprawdzają, jak te zmiany oddziałują na ich funkcjonowanie. Zdecydowanie potrzeba więcej badań, a nie potęgowania strachu, że techniki edycji genów to "zabawa w Boga" dostępna dla każdego.

CRISPR/Cas9 składa się z dwóch kluczowych cząsteczek, które powodują zmiany w DNA. Są to: Endonukleaza Cas9 - enzym, który działa jak nożyczki - dokonuje przecięcia nici DNA w określonym miejscu w genomie. A także rodzaj RNA zwany prowadzącym RNA (gRNA), który gwarantuje, że do cięcia dojdzie we właściwym miejscu.

Prowadzące RNA jest zaprojektowane do znajdowania i wiązania się z określoną sekwencją w DNA. Cas9 podąża za gRNA do tego miejsca i wykonuje cięcie na obu niciach DNA. Komórka rozpoznaje uszkodzenie i próbuje je naprawić. Mechanizmy naprawy nie są stuprocentowo doskonałe i często w miejscu cięcia dochodzi do utraty fragmentu DNA. Stanowi to trwałą zmianę (mutację) w genomie wpływającą na aktywność genu, którego dotyczy. Może to oznaczać, że gen nie będzie funkcjonował poprawnie lub nie będzie działał w ogóle. Naukowcy mogą używać kompleksu CRISPR/Cas9 do celowania i mutowania jednego lub więcej genów w genomie. Widzą reakcje komórki i wyciągają wnioski na temat działania całego organizmu. - W przyszłości oznacza to faktyczne leczenie chorób przewlekłych, a także śmiertelnych. Dzisiaj technika ta pomaga nam zrozumieć, jak funkcjonują nasze genomy - mówi Perello.

In vitro przyszłości

- Naprawdę nie możemy odrzucać komfortu możliwości pozbycia się wszystkich chorób genetycznych. Ale jest jeszcze na to za wcześnie. Trzeba jeszcze ogromu pracy, by móc o tym marzyć - mówi Perello.

Przejrzystość badań jest tu kluczowa. Istnieje Powszechna Deklaracja w Sprawie Genomu Człowieka i Praw Człowieka (Universal Declaration on the Human Genome and Human Rights), w której czytamy, że musimy podtrzymać ciągłość ludzkiego genomu. Z kolei konwencja o prawach człowieka i biomedycynie zawarta w 1997 r. w hiszpańskim Oviedo stwierdza, że: "Interwencja mająca na celu modyfikację ludzkiego genomu może zostać podjęta wyłącznie w celach prewencyjnych, diagnostycznych lub terapeutycznych i tylko wtedy, gdy jego celem nie jest wprowadzenie żadnej modyfikacji w genomie jakichkolwiek potomków". To oznacza, że istnieje ścisły zbiór zasad i przepisów dotyczących edycji genów, takich, aby nikt nie naruszał podstawowych praw.

Louise Brown. Pierwsze dziecko z in vitro:

Zamiast ograniczać nowe techniki edycji genów, lepiej udostępnić je dla wszystkich. Tylko w ten sposób jesteśmy w stanie przeciwdziałać potajemnym praktykom w medycznym "podziemiu" i oprzeć się chęciom tworzenia "superludzi". Ostrzegał przed tym już wybitny astrofizyk Stephen Hawking, który mówił: - Niektórzy ludzie nie będą w stanie oprzeć się pokusie poprawy wielu naszych cech, takich jak możliwości pamięci, odporność na choroby czy długość życia. Gdy pojawią się tacy nadludzie, pojawią się poważne problemy polityczne z ludźmi, którzy nie zostaną ulepszeni. Prawdopodobnie wymrą lub staną się nieistotni. Zamiast tego pojawi się rasa samoprojektujących się istot, doskonalących się w coraz większym tempie.

Obawy Hawkinga nie są bezzasadne, ale do takiej wizji jeszcze nam daleko. Potencjał, który wykazują techniki edycji genów, mogą nie tyle ułatwić, co ocalić życie milionów ludzi na całym świecie. Warto pamiętać, że w podobnym stopniu obawiano się techniki zapłodnienia in vitro w latach 80. ubiegłego wieku, a dzieci poczęte w ten sposób określając mianem "dzieci z probówki". Dzisiaj jest to standardowa metoda wspomagania rozrodu, często jedyna szansa na dziecko dla setek tysięcy par na całym świecie.

W 2010 r. badania nad in vitro zostały uhonorowane Nagrodą Nobla w dziedzinie medycyny. Dzisiaj tą samą ścieżką podąża technika CRISPR/Cas9. Za 30 lat nie będziemy w stanie wyobrazić sobie bez niej życia.


Marcin Powęska