Editarea genetică reprezintă o nouă tehnică ce permite modificarea anumitor gene. CRISPR (Clustered regularly-interspaced short palindromic repeats), tehnologia pe care se bazează editarea genelor, este probabil cea mai importantă descoperire din domeniul biotehnologiei din ultimii ani. Dar ce este și cum funcționează CRISPR? Care sunt posibilele utilizări ale acestei tehnologii noi? Cum a fost creată această tehnologie?


Ce este foarte important de menţionat este următorul lucru: în fapt, nimeni nu a inventat tehnologia CRISPR. Cercetătorii au "dat" peste ea în natură. Microbii o folosesc pentru a-şi edita propriul ADN de milioane de ani.

 

Pe scurt, mecanismul CRISPR la nivelul microbilor este următorul:

În ADN-ul bacteriilor există anumite secvențe palindromice repetitive (CRISPR) între care sunt memorate secvențe de virusuri. În momentul în care o bacterie este infectată cu un virus care a fost deja memorat în secvențele repetitive CRISPR,  un complex molecular al bacteriei elimină virusul proaspăt integrat în ADN-ul acesteia.

CRISPR este practic sistemul imunitar specific (adaptiv) al bacteriilor. În ultimii 20 de ani cercetătorii au exploatat sistemul CRISPR, l-au adaptat de la bacterii la celulele mamiferelor,  altfel încât el poate fi folosit pentru a detecta orice secvență ADN de interes și o poate elimina dintr-un genom (chiar și din genomul uman!).

Implicațiile sunt majore, fabuloase, în domeniile medicinei, agriculturii etc. De exemplu, cazurile de cancer apar în urma unor mutații. În viitor, sperăm, aceste mutații ar putea fi eliminate cu tehnologia CRISPR.

Denumirea de CRISPR a fost dată de Ruud Jansen, Universitatea Utrecht, Olanda, în 2002, după ce anumite "sandvişuri" genetice (blocuri de 32 de baze ADN, denumite spaţiatoare, care separă cinci segmente ADN, compuse din aceleaşi 29 baze, ale unei gene - iap - a E.coli) au trebuit cumva denumite, dat fiind că se vorbea deja despre ele în lumea ştiinţifică.


Cum funcţionează CRISPR
(videoclip, 4 min):

(Videoclipul arată cum CRISPR şi Cas-9 ajută microbii să lupte împotriva virusurilor şi cum cercetătorii pot folosi acest sistem pentru a edita genele umane)

 

 

 

Tehnologia CRISPR, explicată de unul dintre cofondatori, Jennifer Doudna (videoclip, 15 min, subtitrare în lb. română):

 

 

#####

TEHNOLOGIA CRISPR-Cas9

Unul dintre cele mai discutate subiecte legate de știință în 2015 a fost editarea genelor.

Instrumentul de editare a genelor, CRISPR-Cas9, care funcţionează ca un fel de foarfeci la nivel molecular, este capabil să îndepărteze, selectiv, părţile nedorite dintr-un genom. Cas-9 vine de la proteina Cas9. În fapt, Jennifer Doudna şi Emmanuelle Charpentier au explorat în mod independent proteine asociate CRISPR pentru a afla cum folosesc bacteriile spaţiatoare în sistemul lor imun. Cele două au studiat un sistem CRISPR mai simplu, care se bazează pe proteina Cas-9.

Cum s-a făcut trecerea de la un mecanism al microbilor la un instrument uman?

Pentru a crea un instrument de tăiere a ADN-ului, Jennifer Doudna şi colegii acesteia au preluat sistemul de la bacteria Streptococcus pyogenes, un sistem deja înţeles foarte bine (în special funcţia enzimei sale cele mai importante, Cas-9). Doudna a găsit un mod de a livra Cas-9 cu ajutorul unei molecule ARN care să se potrivească cu ADN-ul pe care dorea să-l taie. Molecula ARN are rolul de a ghida enzima Cas-9 de-a lungul ADN-ului către zona-ţintă, iar odată ajunsă la locul dorit, enzima efectuează incizia. Folosind două enzime Cas-9, cercetătorii pot tăia în două locuri, putând deci disloca un segment dorit de ADN. Apoi au găsit un mod de a păcăli celula să lipească o nouă genă în spaţiul rămas liber. Astfel, s-a pus la punct o tehnologie tip caută-şi-înlocuieşte care poate funcţiona pe orice specie.

Studentul chinez Junjiu Huang, de la Universitatea Sun Yat-sen University din Guangzhou, a fost primul om de știință care publicat un articol despre editarea genelor în embrioni vii. El a fost desemnat de revista Nature ca fiind unul dintre cei mai importanți oameni de știință ai anului 2015.

Huang a folosit tehnologia CRISPR–Cas9,  pentru a modifica genele care cauzează boala β-thalassaemia. Huang a folosit în experimentele sale embrioni de la clinicile de fertilizare in vitro (care nu puteau progresa spre organisme mature).

Oamenii de știință speră că editarea genelor folosind tehnologia CRISPR–Cas9 în embrioni vii ar putea elimina bolile genetice.

Rezultatele lui Huang au dovedit, din păcate, că tehnologia CRISPR–Cas9 nu este încă suficient de sigură pentru a evita efectele secundare.  Cu toate acestea, oamenii de știință, dar și politicienii, au fost „electrizați” de descoperirile sale.

Alte utilizări ale CRISPR:
:: unii cercetători au reparat gene "defecte" din ADN-ul şoarecilor, vindecându-i de afecţiuni genetice.
:: cercetătorii au folosit deja CRISPR pentru a edita genele unor plante.
:: unii cercetători încearcă să rescrie genomul unor elefanţi, în încercarea de a recrea mamutul lânos.
:: Motoko Araki şi Tetsuya Ishii, Universitatea Hokkaido, Japonia, au prezis că doctorii vor putea utiliza CRISPR pentru a modifica embrionii umani "în viitorul imediat".

Până şi industria farmaceutică, ce, în genere, are un ritm lent de adoptare a progreselor ştiinţifice, se grăbeşte să utilizeze CRISPR. Concret, compania Novartis, un gigant în domeniul farmaceutic, în ianuarie 2016 a anunţat că va folosi tehnologia CRISPR pentru cercetări în domeniul cancerului. Are în plan să editeze gene ale celulelor imune pentru a ataca tumorile canceroase.

În 3 decembrie a avut loc la Academia de Științe din Statele Unite din Wachington D.C. o întâlnire la nivel înalt dedicată  editării genelor (The International Summit on Human Gene Editing), la care au participat Academiile de Științe și Medicină din SUA, Royal Society din Marea Britanie și Academia de Științe din China.

Una dintre concluziile întâlnirii a fost că editarea genelor în embrionii umani nu ar trebui interzisă în nicio țară, ci doar strict reglementată. Interzicerea editării genelor în embrioni în unele țări ar duce doar la mutarea experimentelor în alte țări, unde legile sunt mai permisive. Raportul întâlnirii va fi publicat doar în 2016.

Oamenii de știință care au participat la întâlnire au căzut de acord asupra următorul aspect al problemei: tehnologia de editare a genelor nu trebuie folosită în embrionii vii și care urmează să să fie implantați în uter.

Tehnica a fost aplicată mai multor organisme, dar un raport recent din China arată că editarea genetică (prin intermediul tehnologiei CRISPR/Cas-9) s-a utilizat totuşi şi asupra unor embrioni umani - ceea ce stârni dezbateri privind etica unei asemenea întreprinderi.

Iată care este principala îngrijorare: dacă modifici un embrion, nu modifici doar persoana ce urmează să devină, ci şi copii, nepoţii şi strănepoţii acesteia. Cum nu ştim multe despre această tehnologie, este corect să ne oprim şi să gândim un pic.

 

Care sunt oamenii de știință care au adus cele mai multe contribuții la descoperirea CRISPR? Controverse privind nivelul de implicare

La „produsul final CRISPR” și-au adus aportul oameni de știință de la mai mult de 20 de institute de cercetare, din Europa și America, pe parcursul a 20 de ani… Tehnologia CRISPR e grozavă, candidați la titlul exclusivist de descoperitori sunt mulți, iar o parte dintre ei vor să iasă în față. Miza e mare, iar cercetătorii care au pus bazele CRISPR vor câștiga probabil multe premii, poate chiar și premiul Nobel.

Dar să încep cu începutul. Revista științifică Cell a publicat în 16 ianuarie 2016 un articol descriptiv despre istoria descoperirii tehnologiei CRISPR.  Articolul descrie frumos personajele care au pus bazele CRISPR (până la un punct!).

Primul cercetător care „a mirosit” secvențele palindromice care stau la baza CRISPR în ADN-ul unei bacterii halofile (iubitoare de sare) a fost Francisco Mojica, un student la o universitate cu un buget acordat cercetării relativ redus și nu de prim rang în lumea cercetării, Universitatea din Alicante, Spania. Rolul secvențelor palindromice din CRISPR în sistemul imunitar al bacteriilor a fost mai apoi presupus și confirmat de către Gilles Vergnaud de la Institutul Pasteur din Paris și Alexander Bolotin de la Institutul Național Francez de Cercetare a Agriculturii. Alte componente moleculare ale principiului au fost  descoperite de Philippe Horvath de la Universitatea din Strassbourg, iar John van der Oost, de a Universitatea din Wagenigen, Olanda, a demonstrat posibilitatea folosirii CRISPR în mod direcționat – programat de către om.

Luciano Marraffini și Erik Sontheimer au demonstrat că CRISPR țintește secvențele de ADN și nu secvențele de ARN.

Emmanuelle Charpentier și Jennifer Doudna de la University of California Berkeley au descoperit o variantă simplificată și eficientă a CRISPR, care funcționează in vitro.

Contribuția cea mai disputată, a fost cea prin care tehnologia CRISPR a ajuns să poată fi folosită în celulele mamiferelor. Organismele eucariote, din care fac parte și mamiferele, diferă foarte mult față de bacterii, prin faptul că au nucleu, ADN-ul este organizat fizic într-un fel specific, și … e de cam 1000 de ori mai mare decât al bacteriilor.

Aici intră în prim plan Feng Zhang, cercetător la Institutul Broad din America, afiliat universităților MIT și Harvard. El a demonstrat că tehnologia CRISPR, cu componente preluate din bacteriile Streptococcus pyogenes sau  Streptococcus thermophilus, este eficientă în editarea genelor în celulele mamiferului numit șoarece! Articolul său a apărut în 3 ianuarie 2013. Apoi, George Church, profesor la Harvard, a demonstrat, împreună cu Zhang, că CRISPR funcționează în cazul celule umane.

Au existat două etape decisive în folosirea CRISPR la scară largă: descoperirea mecanismelor simplificate prin care CRISPR poate fi folosită in vitro și folosirea CRISPR în celulele mamiferelor. Emmanuelle Charpentier și Jennifer Doudna au contribuit la prima etapă, iar Feng Zhang și George Church la a doua.

Articolul lui Eric Lander din Cell le-a pus în umbră pe Charpentier și Doudna, nealocându-le suficient text. Acest fapt a stârnit furie în lumea academică. În comentariile ce au urmat publicării articolului s-a scris despre faptul că Eric Lander, director al Institutului Broad, ar fi pus în mod intenționat pe cercetătorii care lucrează în institutul condus de el (Zhang și Church) în prim plan și în plus, nu a declarat niciun conflict de interese în subsolul articolului. Lander a fost chiar acuzat că a neglijat importanța descoperirii celor două (Charpentier și Doudna), pentru că acestea sunt femei.

Disputa continuă. Institutul Broad a depus o cerere pentru acordarea unui patent pe tehnologia CRISPR, iar răspunsul nu a venit încă.

 

Un articol excepţional scris de Carl Zimmer privind tehnologia CRISPR poate fi citit AICI (eng.).

 

Parte din articol este preluat de pe BlogulPentruStiinta.ro (1 şi 2), cu acordul editorului