Απονεμήθηκε το Νόμπελ Χημείας για το CRISPR «Genetic Scissors»

Ένα ταπεινό μάθημα της επιστήμης είναι ότι, ακόμη και όταν πρόκειται για πολλές από τις πιο λαμπρές εφευρέσεις της ανθρωπότητας, η φύση έφτασε εκεί πρώτη. Η επιλογή του 2020 για το Νόμπελ Χημείας πηγαίνει σε δύο επιστήμονες που μοιράζονται τα εύσημα για τον εντοπισμό και την ανάπτυξη μιας επαναστατικής μεθόδου επεξεργασίας γονιδιώματος - μια που επέτρεψε στους ερευνητές να τροποποιήσουν και να διερευνήσουν τα γονιδιώματα των μικροβιακών, φυτικών και ζωικών κυττάρων με ευκολία και ακρίβεια και αποτελεσματικότητα που θα ήταν ανεξιχνίαστη ακόμη και πριν από μια δεκαετία. Ωστόσο, η τεχνολογία που προέκυψε από τη δουλειά τους, όσο επαναστατική και αν είναι, πηγάζει από μια καινοτομία που αναπτύχθηκε για πρώτη φορά στα βακτήρια, πιθανώς περισσότερο από ένα δισεκατομμύριο χρόνια πριν, και πέρασε απαρατήρητη μέχρι πρόσφατα.

Η Emmanuelle Charpentier από το Max Planck Unit for the Science of Pathogens Institute for Infection Biology και η Jennifer Doudna του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ έχουν αναγνωριστεί για την εργασία τους στην επεξεργασία γονιδιώματος CRISPR/Cas9 — μια τεχνική που συνήθως ονομάζεται CRISPR για συντομία και συχνά αναφέρεται. ως «γενετικό ψαλίδι». Αυτό το βραβείο σηματοδοτεί την πρώτη φορά που δύο γυναίκες βραβεύονται με Νόμπελ επιστήμης.

Σε μια θεμελιώδη εργασία του 2012, οι Charpentier και Doudna έδειξαν ότι βασικά συστατικά του αρχαίου ανοσοποιητικού συστήματος που βρέθηκαν σε βακτήρια και αρχαία θα μπορούσαν να ανακατασκευαστούν για να επεξεργαστούν το DNA, για να «ξαναγράψουν ουσιαστικά τον κώδικα της ζωής», όπως το έθεσε σήμερα το πρωί η επιτροπή Νόμπελ. /P>

Στα οκτώ χρόνια από τότε, η ανακάλυψη έχει μεταμορφώσει τις βιοεπιστήμες, καθιστώντας την επεξεργασία του γονιδιώματος συνηθισμένη στα εργαστήρια σε όλο τον κόσμο. Έδωσε τη δυνατότητα στους ερευνητές να διερευνήσουν τις λειτουργίες των γονιδίων κατά βούληση, ωθώντας το πεδίο της μοριακής βιολογίας μπροστά με άλματα και όρια. να καινοτομήσουν νέες μεθόδους αναπαραγωγής φυτών· και να αναπτύξει πολλά υποσχόμενες νέες γονιδιακές θεραπείες, μερικές τώρα σε κλινικές δοκιμές, για καταστάσεις όπως η δρεπανοκυτταρική αναιμία.

Η επιλογή της επιτροπής Νόμπελ αναμφίβολα θα χαιρετιστεί ως αμφιλεγόμενη λόγω των ευρέως δημοσιευμένων διαφωνιών σχετικά με την πνευματική ιδιοκτησία που σχετίζεται με το CRISPR. Ο Virginijus Šikšnys του Πανεπιστημίου του Βίλνιους στη Λιθουανία ανέπτυξε ανεξάρτητα την ιδέα της χρήσης αυτών των γενετικών χαρακτηριστικών των βακτηρίων ως εργαλείο επεξεργασίας γονιδιώματος την ίδια περίπου εποχή με τους Charpentier και Doudna, και μερικές φορές έχει τιμηθεί μαζί τους. Δύο άλλοι επιστήμονες, ο Φενγκ Ζανγκ του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης και ο Τζορτζ Τσερτς του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ, επίσης συχνά αποδίδονται ως πρώτοι συν-ανακαλύφτες και προγραμματιστές της τεχνολογίας CRISPR και ο αποκλεισμός τους θα πυροδοτήσει επιχειρήματα. Ωστόσο, κανένας στην επιστημονική κοινότητα δεν θα αμφισβητούσε ότι το έργο του Charpentier και της Doudna έθεσε τα θεμέλια για την παραγωγική χρήση του CRISPR που αλλάζει το παιχνίδι σήμερα.

Τι είναι το σύστημα CRISPR/Cas;

Η ιστορία του CRISPR/Cas ξεκίνησε με την παρατήρηση στα τέλη της δεκαετίας του 1980 και στις αρχές της δεκαετίας του 1990 ότι οι περισσότεροι προκαρυωτικοί οργανισμοί - συμπεριλαμβανομένων πολλών βακτηρίων και σχεδόν όλων των αρχαίων - έχουν μια περίεργη δομή στο γονιδίωμά τους. Ένα μέρος του DNA τους αποτελείται από πολλές σύντομες, ευδιάκριτα επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες βάσεων, διάσπαρτες με άλλες σύντομες, μεταβλητές αλληλουχίες «διαστήματος». Οι βιολόγοι ονόμασαν αυτή τη δομή CRISPR (για ομαδοποιημένες τακτικά διακεκομμένες σύντομες παλινδρομικές επαναλήψεις). Δίπλα σε αυτό βρίσκεται ένα σύστημα γονιδίων (Cas) που σχετίζεται με το CRISPR για ένζυμα που μπορούν να κόψουν το DNA. Αργότερα, οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν ότι το DNA στις αλληλουχίες διαχωρισμού ήταν πανομοιότυπο με θραύσματα ιικού DNA.

Αυτή η διευθέτηση ώθησε μια ομάδα Γάλλων ερευνητών να προτείνουν το 2005 ότι για τα βακτήρια, το σύστημα CRISPR/Cas θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως ένα είδος ανοσοποιητικού συστήματος για την καταπολέμηση των επίμονων επιτιθέμενων ιών. Πρότειναν ότι όταν τα βακτήρια επιβίωσαν από μια ιογενή λοίμωξη, αποθήκευαν μικροσκοπικά θραύσματα ιϊκού DNA στο τμήμα CRISPR του δικού τους γονιδιώματος για μελλοντική αναφορά - μια διάταξη που οι ερευνητές περιέγραψαν ως «μνήμη προηγούμενων «γενετικών επιθέσεων». Ο ιός επιτέθηκε ξανά σε αυτά τα βακτήρια ή τους απογόνους τους, τα βακτήρια θα μπορούσαν με κάποιο τρόπο να χρησιμοποιήσουν το ιικό DNA του αρχείου για να κατευθύνουν τα ένζυμα Cas στους εισβολείς για να τα εξαλείψουν γρήγορα.

Η τεχνολογία που ανέπτυξαν οι Charpentier και Doudna δανείστηκε αυτή την ακριβή ικανότητα κοπής γονιδιώματος από τα βακτήρια και τη μετέτρεψε σε ένα πιο γενικό εργαλείο επεξεργασίας γονιδιώματος, με τη γενετική δομή CRISPR ως εργαλείο στόχευσης και το ένζυμο Cas9 για την κοπή.

Πώς ο Charpentier και η Doudna επαναχρησιμοποίησαν το CRISPR για επεξεργασία γονιδίων;

Οι Charpentier και Doudna ξεκίνησαν περιγράφοντας τον μοριακό μηχανισμό που εμπλέκεται στην βακτηριακή άμυνα CRISPR/Cas9 ενάντια στους επαναλαμβανόμενους ιικούς εισβολείς. Ουσιαστικά, όταν ένας ιός επιτίθεται, τα επιζώντα βακτήρια ενσωματώνουν ένα κομμάτι του ιικού DNA στη σειρά CRISPR τους. Εάν αυτός ο ιός επιτεθεί ξανά σε αυτούς ή στους απογόνους τους, τα βακτήρια μεταγράφουν το τμήμα του CRISPR που περιέχει το ιικό DNA σε RNA. Το μόριο RNA, μαζί με ένα δεύτερο μόριο RNA που είχε προηγουμένως αναγνωριστεί από τον Charpentier, οδηγεί την πρωτεΐνη Cas9 στον στόχο:το αντίστοιχο DNA του ιού που προσπαθεί να εισβάλει ξανά. Εκεί, το μοριακό σύμπλεγμα εκπληρώνει τον ρόλο του ως γενετικό ψαλίδι, κόβοντας το DNA του ιού και αφοπλίζοντας τον εισβολέα.

Για να το μετατρέψουν σε ένα πιο γενικευμένο εργαλείο επεξεργασίας γονιδίων, οι Charpentier και Doudna, μαζί με άλλους συναδέλφους τους, συντήξαν τους δύο τύπους RNA σε ένα ενιαίο «οδηγό RNA». Έδειξαν ότι μαζί με το Cas9, αυτό το πιο βελτιωμένο σύστημα μπορούσε να εντοπίσει και να αποκόψει το DNA του ιού σε έναν δοκιμαστικό σωλήνα.

Η επεξεργασία CRISPR μπορεί να περιλαμβάνει τόσο λίγα όσο - την αφαίρεση κάποιου γονιδίου ή τμήματος του DNA. Αλλά οι επιστήμονες έχουν βρει επίσης πώς να επωφεληθούν από τους φυσικούς μηχανισμούς επιδιόρθωσης του κυττάρου για να εισαγάγουν αλληλουχίες DNA της δικής τους κατασκευής στο σημείο της χειρουργικής κοπής, επιτρέποντάς τους να προσθέσουν νέο γενετικό κώδικα ή να διορθώσουν ορισμένες μεταλλάξεις.

Τι κάνει το CRISPR καλύτερο από άλλες τεχνικές για την επεξεργασία γονιδιωμάτων;

Οι ερευνητές μπόρεσαν να χρησιμοποιήσουν τεχνικές ανασυνδυασμένης γονιδιακής επεξεργασίας «κόψτε και επικολλήστε» για να τροποποιήσουν κύτταρα από τη δεκαετία του 1970. Αλλά αυτές οι μέθοδοι, οι οποίες βασίστηκαν επίσης σε φυσικά βακτηριακά ένζυμα, δεν είχαν το επίπεδο ακρίβειας που μπορεί να επιτύχει το CRISPR. Αυτό οφειλόταν εν μέρει στο ότι τέτοιες προσεγγίσεις ανασυνδυασμού συχνά δεν μπορούσαν να στοχεύσουν μοναδικές αλληλουχίες DNA με αρκετή ακρίβεια:Μπορεί να κάνουν την τομή τους σε μια ακούσια θέση κατά μήκος του γονιδιώματος, με απρόβλεπτα αποτελέσματα. Τα ένζυμα θα μπορούσαν να σχεδιαστούν για να στοχεύουν μεγαλύτερες αλληλουχίες με μεγαλύτερη εξειδίκευση, αλλά αυτή ήταν μια πολύ πιο επίπονη και πολύπλοκη διαδικασία από ό,τι με το CRISPR. Η ευκολία χρήσης βοήθησε πάρα πολύ στο να γίνει το CRISPR πανταχού παρόν.

Αυτό δεν σημαίνει ότι το CRISPR έρχεται χωρίς προκλήσεις. Θα μπορούσε να οδηγήσει σε τυχαίες αλλαγές, για παράδειγμα, ή να προκαλέσει ανεπιθύμητες αντιδράσεις σε έναν οργανισμό (συμπεριλαμβανομένης μιας ανοσολογικής απόκρισης). Για αυτόν τον λόγο, οι επιστήμονες συνεχίζουν να εργάζονται για την ανάπτυξη πιο εξελιγμένων εκδόσεων του CRISPR.

Το CRISPR δεν είναι επίσης απαραίτητα το καλύτερο εργαλείο για κάθε δουλειά, ούτε είναι η τελευταία λέξη στις τεχνολογίες επεξεργασίας γονιδιώματος. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν επίσης παρεμβολή RNA (RNAi) και ένζυμα όπως νουκλεάσες τελεστών που μοιάζουν με ενεργοποιητές μεταγραφής (TALEN) και μεγανουκλεάσες για να ξαναγράψουν γονιδιώματα. Επιπλέον, ορισμένοι ερευνητές αναπτύσσουν τώρα εργαλεία για την επεξεργασία του γονιδιώματος που δεν εκμεταλλεύονται τους φυσικούς μηχανισμούς των κυττάρων για την επιδιόρθωση του DNA με τον τρόπο που κάνουν τα CRISPR και TALEN. Αντίθετα, βρίσκουν τρόπους που βασίζονται στην επιγενετική και τις μεθόδους που ξαναγράφουν το DNA μία βάση τη φορά.

Ποιες διαφωνίες περιβάλλουν τη χρήση του CRISPR;

Οι τεχνολογίες για τη σκόπιμη τροποποίηση του γονιδιώματος ήταν πάντα βυθισμένες σε διαμάχες, τόσο για την ηθική χρήση τους όσο και για τους πιθανούς κινδύνους που θέτουν οι κατασκευασμένοι οργανισμοί. Το CRISPR δεν ήταν διαφορετικό, ειδικά επειδή έχει ήδη χρησιμοποιηθεί για την επεξεργασία μικροβιακών, φυτικών και ζωικών κυττάρων — συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπινων κυττάρων, καθώς οι επιστήμονες αναζητούν θεραπείες για πλήθος γενετικών παθήσεων. Η ευκολία χρήσης του CRISPR καθιστά άξια προσοχής τη δυνατότητα για εξανθήματα.

Το 2018, ο ερευνητής He Jiankui κατέπληξε τον κόσμο όταν ανέφερε ότι είχε χρησιμοποιήσει το CRISPR για να επεξεργαστεί τα γονιδιώματα των δίδυμων μωρών σε μια προσπάθεια να τα καταστήσει ανθεκτικά στον HIV - αναζωπυρώνοντας μακροχρόνιες συζητήσεις σχετικά με την ηθική της γονιδιακής επεξεργασίας. Η ανακοίνωση ακολούθησε αμέσως ευρεία καταδίκη από την ευρύτερη επιστημονική κοινότητα, συμπεριλαμβανομένης της ίδιας της Doudna, η οποία χαρακτήρισε το έργο τρομακτικό, επικίνδυνο και πρόωρο. (Η Doudna δραστηριοποιήθηκε στην ενθάρρυνση της διεθνούς επιστημονικής κοινότητας να αναπτύξει έγκυρες οδηγίες για τη χρήση του CRISPR.)

Αλλά η ηθική της επεξεργασίας βλαστικής γραμμής δεν είναι η μόνη ανησυχία των επιστημόνων σχετικά με τις πιθανές χρήσεις του CRISPR. Ένα άλλο αφορά τον τρόπο με τον οποίο θα μπορούσε να εφαρμοστεί για τη δημιουργία γνωστών ως γονιδιακών κινήσεων, οι οποίες επιτρέπουν στους ερευνητές να αυξήσουν δραματικά τις πιθανότητες να μεταδοθεί ένα χαρακτηριστικό ενδιαφέροντος από έναν γονέα στους απογόνους του. Ενώ αυτό έχει επιχειρηθεί μόνο σε εργαστηριακά περιβάλλοντα μέχρι σήμερα, ορισμένοι επιστήμονες ελπίζουν να το χρησιμοποιήσουν μια μέρα για τον έλεγχο χωροκατακτητικών ειδών και εντόμων που μεταφέρουν ασθένειες στη φύση. Ωστόσο, σύμφωνα με πρόσφατες προσπάθειες μοντελοποίησης, κάτι τέτοιο μπορεί να έχει έναν ανησυχητικό κίνδυνο εξάπλωσης της γονιδιακής κίνησης πέρα ​​από τον πληθυσμό-στόχο της και εκτός ελέγχου.

Ως αποτέλεσμα, οι ερευνητές προχωρούν με προσοχή όταν πρόκειται για αμφιλεγόμενες εφαρμογές των τεχνολογιών CRISPR. Αλλά δεν υπάρχει αμφιβολία ότι το CRISPR έχει ξεκινήσει τη βασική έρευνα για την επιστήμη και τις ασθένειες σε μια νέα εποχή.

Αυτή η ανάρτηση έχει ενημερωθεί με πρόσθετες λεπτομέρειες σχετικά με το βραβευμένο έργο.

Ο Roger Penrose, ο Reinhard Genzel και η Andrea Ghez κέρδισαν το φετινό Βραβείο Νόμπελ Φυσικής και οι Harvey Alter, Michael Houghton και Charles Rice μοιράστηκαν το Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής.