Perimään vähemmän virheitä

Kahdella kiinalaistytöllä on ollut vuodesta 2018 perimässään muokkaustekniikan aiheuttamia virheitä. Tavoitteena on kolmen uuden työkalun avulla välttää vahinkoja ja aloittaa geenien muuttamisessa uusi aikakausi.

Kahdella kiinalaistytöllä on ollut vuodesta 2018 perimässään muokkaustekniikan aiheuttamia virheitä. Tavoitteena on kolmen uuden työkalun avulla välttää vahinkoja ja aloittaa geenien muuttamisessa uusi aikakausi.

Claus Lunau & Shutterstock

Vielä vähän aikaa sitten ajatus ihmisen perimän muokkaamisesta vaikutti silkalta scifiltä. Nykyään se on realistinen CRISPR:n ansiosta. Yksinkertainen geenitekniikan keksintö on saanut aikaan yhden tieteen historian suurimmista mullistuksista alle kymmenessä vuodessa.

CRISPR koostuu molekyylisaksista, jotka voidaan ohjelmoida etsimään tietty geeni, katkaisemaan se ja samalla muuttamaan dna:ta pysyvästi.

Tekniikka löi itsensä varsinaisesti läpi vuonna 2012, ja vain muutamaa vuotta myöhemmin CRISPR:llä oli osuus jo tuhansissa tieteellisissä tutkimuksissa ja sadoissa patenttihakemuksissa. Menetelmä antoi toiveita kauan kaivatuista hoidoista perinnöllisiin sairauksiin.

Geenitekninen ihme on kuitenkin kompuroinut. Lupaavat tulokset saivat vuonna 2018 kiinalaistutkijan soveltamaan menetelmää ihmisalkioihin. Syntyneillä kaksosilla on perimässään ominaisuuksia, joita heillä ei muuten olisi ollut.

Kaksoset ovat lisäksi eläviä todisteita siitä, että geenitekniikalla on vakavia puutteita, jotka voivat aiheuttaa hengenvaarallisia terveysongelmia.

CRISPR mahdollistaa dna:n muuttamisen ja lupailee uudenlaisia hoitoja perinnöllisiin sairauksiin. Kohuakin herättänyt tekniikka on kuitenkin epäluotettava: se voi vioittaa perimää.

© Shutterstock

Geenisakset napsaisevat dna-ketjun poikki

CRISPR-tekniikka perustuu yleensä Cas9-entsyymiin (harmaa) ja lyhyeen rna-pätkään (keltainen). Rna ohjaa entsyymin määräkohtaan geenissä (punainen), ja entsyymi katkaisee geenin nimenomaan siitä.

© Shutterstock

Onnistuminen on osin sattuman varassa

Solu korjaa itse saamansa vamman joko lisäämällä vauriokohtaan tai poistamalla siitä dna-emäksiä (harmaa) ja liittämällä päät yhteen. Korjausta ei voida ohjata, joten virheet ovat täysin mahdollisia.

Riskeistä huolimatta CRISPR:ää testataan yhä ihmisillä, ja siksi tutkijat yrittävät päivittää tekniikkaa niin, että se ei vahingoita koehenkilöiden perimää.

Kolme päivitystä on nyt valmiina parantamaan turvallisuutta.

Tappava ase ja menestystekijä

CRISPR-lyhenne tulee englannin sanoista clustered regularly interspaced short palindromic repeats. Ne ovat jo kauan tunnettuja toistojaksoja, joita bakteerit ovat käyttäneet miljoonia vuosia tehokkaana aseena virushyökkäyksiä vastaan.

Teho perustuu täsmäiskuun, joka katkaisee vastustajan perintöaineksen. CRISPR:n rakenne tunnistettiin jo 1987, mutta vasta 25 vuotta myöhemmin siinä piilevä potentiaali tajuttiin.

Biokemisti Jennifer Doudna ja mikrobiologi Emmanuelle Charpentier sovelsivat ensimmäisinä vuonna 2012 bakteerien puolustusmenetelmää geenien korjaamiseen.

CRISPR koostuu entsyymistä, joka leikkaa dna:n poikki, ja rna-pätkästä, joka ohjaa entsyymin tiettyyn dna:n kohtaan.

Vuonna 2018 CRISPR-menetelmää koski 3 917 tieteellistä tutkimusta.

Opas-rna:n avulla entsyymi saadaan katkaisemaan juuri haluttu geeni.

Vuotta myöhemmin, 2013, biokemisti Feng Zhang viimeisteli tekniikan sellaiseksi, että sillä oli mahdollista ujuttaa katkaisukohtaan uusi, halutunlainen dna-jakso.

Tätä uutta ominaisuutta ei kuitenkaan käytetä aina – muun muassa siksi, että vieläkin on epävarmaa, kuinka se vaikuttaa. Sen sijaan solun annetaan usein itse täyttää aukko ja muuttaa tietyllä tavalla perintötekijää.

Menetelmää kokeiltiin heti tuoreeltaan kasveilla ja eläimillä. Vuonna 2014 yhdysvaltalaiset tutkijat paransivat hiirenpoikasia, joilla oli aineenvaihduntasairaus tyrosinemia, muokkaamalla maksan Fah-geeniä.

Samana vuonna toinen tutkimusryhmä käsitteli appelsiinien PDS-geeniä, joka säätelee hedelmien kypsymistä.

CRISPR tekee pysyviä muutoksia dna:han, ja mahdolliset huolimattomuusvirheet säilyvät elämän loppuun saakka. Uusi tekniikka ratkaisee ongelman muokkaamalla perintötekijöitä kajoamatta missään vaiheessa dna:han.

© Shutterstock

Geneettinen koodi kopioituu rna:han

Solu kääntää geeninä (vasemmalla) toimivan dna:n rna:ksi (keskellä), joka sitten kääntyy proteiiniksi (oikealla). Esimerkiksi SCN9A-geeni ohjaa kipuaistille tärkeän NaV1.7-proteiinin tuotantoa.

© Shutterstock

Entsyymit ohjautuvat rna-jaksoon

Entsyymit Cas13 (harmaa) ja APOBEC1 (sininen) liitetään yhteen ja varustetaan rna-pätkällä (keltainen). Tämä ohjaa entsyymit sen rna-jakson luo, johon NaV1.7-proteiinin tuotanto perustuu.

© Shutterstock

Veitsi vaihtaa kirjaimen toiseen

Entsyymit hivuttautuvat rna-jakson kylakeen, ja APOBEC1-entsyymi ottaa käsiteltäväksi yhden rna-emäksen. Kirjainkoodissa tapahtuu muutos: C vaihtuu U:ksi.

© Shutterstock

Uusi emäsjärjestys hävittää kivun

Solu kääntää muuttuneen rna-koodin proteiiniksi, mutta rna:n uusi emäsjärjestys tuottaa uudenlaista proteiinia (oikealla). Tämä muunnos estää kipuviestejä välittymästä aivoihin.

CRISPR vaikutti niin suurelta menestystarinalta, että kiinalaistutkijat uskaltautuivat jo vuonna 2016 menemään pitemmälle: ihmisiin. He ottivat syöpäsairailta immuunisoluja muunnettavaksi laboratoriossa ja siirsivät perimältään muokatut solut takaisin potilaille.

Tutkimus paljasti käsitellyt immuunisolut vaarattomiksi itse keholle, mutta vieläkään ei tiedetä varmasti, onko niistä kukistamaan tehokkaasti kasvaimia.

Ensimmäinen ihmiskoe oli aimo harppaus, mutta se otettiin suhteellisen varovasti: CRISPR ruiskutettiin potilailta otettuihin soluihin eikä itse potilaisiin. Toisin sanoen vain murto-osassa heidän soluistaan oli muokattua perintöainesta.

CRISPR teki virheitä vauvoihin

Tilanne muuttui vuonna 2018, kun kiinalainen biofyysikko He Jiankui loi ensimmäiset perimältään päästä varpaisiin muokatut ihmiset.

Hän pyrki saamaan lapsissa aikaan vastustuskyvyn hiv-infektiota vastaan. Hedelmöitettyihin luovuttajan munasoluihin tehtiin CRISPR:n avulla CCR5-geenin muunnos, joka on olemassa joillakin ihmisillä luonnostaan.

Enimmäkseen eurooppalaisilla esiintyvä geeniversio antaa ainakin osittaisen suojan hi-virusta vastaan. Vuoden 2018 alussa He Jiankui ryhtyi tuumasta toimeen, ja saman vuoden lokakuussa syntyivät maailman ensimmäiset perimältään muokatut lapset: identtiset kaksostytöt.

Kansainvälinen tiedeyhteisö järkyttyi. He Jiankui tuomittiin kolmeksi vuodeksi vankilaan epäeettisestä tutkimuksesta, eikä hänen toiminnastaan julkaistu koskaan tarkkaa raporttia. Vuotaneet tiedot vihjaavat kuitenkin,että päätavoite eli hiv-resistenssi jäi saavuttamatta.

Tutkija He Jiankui loi vuonna 2018 crispr:llä maailman ensimmäiset perimältään muokatut lapset.

© Shutterstock

CRISPR-työkalu ei leikannut aivan niin kuin sen piti, ja tavoitellun geeniversion sijasta tytöille syntyi muu CCR5-mutaatio.

Ja sen vaikutus on yhä hämärän peitossa. Lisäksi geenitekniikka aiheutti aivan toisaalla dna:ssa ylimääräisen muutoksen.

Osa asiantuntijoista uskoo, että He Jiankui ei ollut edes tietoinen kaikista virheistä. Toisin sanoen hän saattoi vahingossa ja tietämättään aiheuttaa koko joukon haitallisia mutaatioita, jotka vaikuttavat kaikkialla tyttöjen kehossa – mukaan lukien sukupuolisolut, joilla on merkitystä siinä vaiheessa, kun he hankkivat jälkeläisiä.

Tutkijat toivovat hyvää muutosta

Kaksosten tapaus on tuonut julkisuuteen CRISPR:n puutteet ja hillinnyt iloa uudesta tekniikasta. Tutkijoilla on kuitenkin hyvä käsitys siitä, missä on parantamisen varaa.

Yleisin CRISPR-sovellus perustuu Cas9-nimiseen entsyymiin, joka on peräisin A-streptokokkibakteerista (Streptococcus pyogenes).

Cas9 leikkaa kirjaimellisesti dna:n poikki, eli syntyy kaksi irrallista päätä, joissa on puhtaat katkaisupinnat. Kun dna on katkennut, solu pyrkii korjaamaan vaurion, mutta puhtaat katkaisupinnat ovat haaste.

Joskus solu liittää irralliset päät yhteen aivan toisilla dna-pätkillä, joissa on myös puhtaat katkaisupinnat, ja saa aikaan näin täysin uudenlaisia dna-jaksoyhdistelmiä. Joskus solu poistaa irrallisista päistä dna-emäksiä saadakseen ne helpommin kiinni toisiinsa.

Tällöin dna muuttuu tavalla, jota tutkijoiden on vaikea hallita. Oikeastaan heillä ei ole muuta vaihtoehtoa kuin toivoa, että perimään syntyy tavoiteltu muutos.

Onnistumisprosentti riippuu siitä, millaisiin muutoksiin tähdätään. Yleensä lopputulos on odotuksenmukainen vain muutamassa prosentissa niistä soluista, jotka ovat olleet CRISPR-menetelmällä tehtävän perimänmuokkauksen kohteena.

18 Leberin synnynnäistä amauroosia sairastavaa on saanut CRISPR-hoitoa.

Surkea menestys ei haittaa silloin, kun tutkijat käsittelevät soluja laboratoriossa, sillä he voivat erotella joukosta ne solut, joihin on syntynyt tavoiteltu muutos.

Tilanne on ongelmallisempi pistettäessä CRISPR suoraan perinnöllisestä sairaudesta kärsivään potilaaseen. Hoito voi kariutua pienen onnistumisprosentin vuoksi.

Kun otetaan lisäksi huomioon riski, että muualle perimään tulee ei-toivottuja mutaatioita, hoidosta voi olla enemmän haittaa kuin hyötyä.

Kokeellista CRISPR-hoitoa testataan potilailla, jotka sairastavat sokeuttavaa Leberin synnynnäistä amauroosia. Korjaamalla viallinen perimä mahdollistetaan näkeminen.

© Caters/Ritzau Scanpix

Uusi CRISPR leikkaa varovasti

Nykyään selvitetään laajasti mahdollisuuksia poistaa tekniikan vakavimmat puutteet. Merkittävimpiä edistysaskelia on kemisti David Liun kehittämä uudenlainen, entistä tarkempi CRISPR, josta käytetään nimitystä prime editing (ensisijainen muokkaus).

Liun tekniikassa hyödynnetään Cas9-entsyymin uutta versiota, joka ei leikkaa koko dna-ketjua poikki vaan katkaisee ainoastaan sen toisen juosteen.

Niinpä prime editing ei saa alkuperäisen CRISPR:n tapaan aikaan kahta irrallista päätä, joihin voi vahingossa liittyä jokin muu dna-pätkä. Lisäksi Cas9-entsyymi kuljettaa mukanaan geeniin halutun dna-jakson työpiirustuksen ja toisen entsyymin, joka pystyy rakentamaan uuden dna-jakson piirustuksen mukaan.

Lopuksi Cas9 leikkaa toisen dna-juosteen poikki, jotta sekin muuttuu halutusti.

Alkuperäinen CRISPR leikkaa dna:n poikki ja antaa solun itse liittää päät yhteen ja samalla tehdä halutun muutoksen perimään. Uusi sovellus, prime editing, tekee ensin loven dna:han ja tulostaa sitten korjauksen suoraan perintötekijään.

© Shutterstock

Geenisakset tekevät viillon perintötekijään

Cas9-geenisaksien (harmaa) uusi versio on varustettu pitkällä rna-jaksolla. Se sisältää muun muassa osan (keltainen), joka ohjaa geenisakset muutettavaan kohtaan (punainen). Geenisakset leikkaavat dna:ta, mutta toisin kuin alkuperäisessä tekniikassa vain toinen dna-juoste katkeaa. Dna-ketju ei siis mene kokonaan poikki, vaan siihen syntyy rako. Toisin sanoen dna-ketjusta avataan vain toinen puoli.

© Shutterstock

Entsyymi tulostaa uuden jakson geeniin

Rna-jakso sisältää myös työpiirustuksen (sininen), jonka mukaan geeniä muuttava dna-jakso rakentuu. Uuden koodin tulostaa suoraan geeniin käänteiskopioijaentsyymi (reverse transcriptase, RT) (sininen pallo), joka kuuluu geenisaksiin.

© Shutterstock

Muutos kopioituu toiseen juosteeseen

Kolmas osa opastavassa rna-jaksossa (vihreä) ohjaa geeni-sakset dna-ketjun toiselle puolelle. Siellä ne katkaisevat toisen juosteen. Leikkauksen jälkeen solu huolehtii itse siitä, että toiseen juosteeseen lisätty uusi koodi kopioituu toiseenkin juosteeseen. Kun dna-ketju on jälleen ehjä, kummassakin juosteessa on haluttu geneettinen informaatio.

© Shutterstock

Muutoksella saavutetaan pysyviä tuloksia

Perintötekijä saa uuden dna-emäsjärjestyksen (sininen), joka vaikuttaa solun – ja ehkä koko kehon – toimintaan. Muokkauksella voidaan esimerkiksi korjata jonkin sairauden aiheuttava viallinen geeni. Uusi perinnöllinen ominaisuus siirtyy emosolusta jakautuville tytärsoluille, joten tehty muutos säilyy.

David Liun onnistumisprosentti oli jopa 55, kun hän vuonna 2019 vaihtoi prime editingin avulla yksittäisiä dna-emäksiä. Lisäksi hän kykeni muuttamaan järjestelmän toimintaa niin, että se joko poisti tai lisäsi kokonaisia dna-jaksoja – parhaimmillaan peräti 78 prosentissa tapauksista. Liun menetelmää soveltavat jo monet tutkijat.

Vuonna 2020 alankomaalaisessa tutkimuksessa korjattiin Liun sovelluksella viallista perintöainesta soluviljelmissä, jotka perustuivat potilailta otettuihin kudosnäytteisiin.

Siirtämällä DGAT1-geeniin kolme ylimääräistä dna-emästä tutkijat pystyivät parantamaan vakavan perinnöllisen suolistosairauden, jossa ravintoaineiden imeytyminen on häiriintynyt pahoin.

Geenit välttyvät muokkaukselta

CRISPR:ään liittyvää pysyvien dna-vaurioiden riskiä on mahdollista pienentää toisellakin tavalla: muuttamalla perimän toimintaa kajoamatta itse perintötekijään.

Geenit sisältävät proteiinien valmistusohjeet, ja yleensä viallisen geenin korjaamisella tähdätään proteiinin muuttamiseen. Vuonna 2017 biokemisti Feng Zhang kehitti CRISPR-sovelluksen, jolla voidaan muuttaa proteiinia vaikuttamalla geenin lukemisen ja proteiinin valmistamisen välissä olevaan vaiheeseen.

Ennen kuin solu tuottaa proteiinia, se kääntää proteiinin valmistusohjeen sisältävän geenin rna-jaksoksi, joka kuljettaa kysei­sen geneettisen informaation solun proteiinitehtaaseen.

Zhangin uusi tekniikka korjaa geenin sijasta rna-jakson. Lopputulos on kuitenkin sama: proteiini on halutunlaista. Sovelluksen etuna on se, että rna hajoaa jatkuvasti solussa toisin kuin dna.

Kun hoito lopetetaan, kaikki siitä johtuvat muutokset häviävät. Solun perintöainekseen ei voi siten syntyä hoidon vuoksi pysyviä vaurioita.

Vuonna 2017 jätettiin 1 303 CRISPR:ään liittyvää patenttihakemusta.

Menetelmä sopii niiden sairauksien hoitamiseen, joissa solujen proteiinien tulee muuttua vain ajoittain. Esimerkkejä löytyy erilaisista kiputiloista, kuten päänsärystä, jossa kipuviestien syntymiseen ja välittymiseen liittyvillä proteiineilla on tärkeä osuus. Kipu lievittyy, kun hermoviestintä estyy.

Proteiinien tuotantoon voidaan vaikuttaa myös kolmannella uudella CRISPR-sovelluksella. Siinä ei muuteta dna:ta eikä rna:ta, vaan se hävittää metyyliryhmiksi kutsuttuja pieniä molekyylejä, jotka liimautuvat dna:han ja estävät soluja kääntämästä geenejä rna:ksi ja proteiineiksi.

Metyyliryhmäeste tai -peite voi aiheuttaa sairauksia, ja niihin saadaan apua metyyliryhmien hävittämisestä.

CRISPR korjaa viallista dna:ta, mutta perinnöllinen sairaus ei aina johdu väärästä geneettisestä informaatiosta. Muun muassa fragiili X -oireyhtymää sairastavilla on virheetön FMR1-geeni. Se ei kuitenkaan toimi niin kuin sen pitäisi dna:n molekyyliesteen takia. CRISPR voi hajottaa sen.

© Shutterstock

Peite estää tärkeää geeniä toimimasta

Fragiili X -oireyhtymä, johon liittyy kehitysvammaisuus, johtuu siitä, että niin sanotut metyyliryhmät peittävät FMR1-geenin. Peitto salpaa geenin: solu ei voi tuottaa sitä proteiinia, jonka ohjeen geeni sisältää.

© Shutterstock

Entsyymiyhdistelmä etsii sairastuttavan dna:n

Uudenlainen CRISPR-työkalu viedään soluihin. Se koostuu opas-rna:sta, joka löytää FMR1-geenin, ja passiivisesta Cas9-entsyymistä, johon on liitetty TET1-niminen entsyymi.

© Shutterstock

Terä vapauttaa geenin lisukkeista

TET1-entsyymi poistaa metyyliryhmät geenistä. Kun peite häviää, solu pystyy lukemaan geneettisen informaation ja tuottamaan ohjeen mukaista, oikealla tavalla toimivaa proteiinia.

Menetelmällä on puhdistettu metyyliryhmistä laboratoriossa FMR1-geeni, jonka toimimattomuus saattaa johtaa fragiili X -nimiseen oireyhtymään. Sitä sairastaville on ominaista kehitysvammaisuus.

Sovelluksessa nähdään valmiuksia paljon enempään. Metyyliryhmät liittyvät moniin terveysongelmiin autismista syöpään, ja mahdollisuus poistaa metyyliryhmiä avaa uusia näköaloja hoitoihin, joita alkuperäinen CRISPR ei mahdollista.

CRISPR ruiskutetaan silmään

CRISPR:n kehittämishankkeet ovat myötätuulessa, mutta tuloksia pitää syntyä, ennen kuin sitä voidaan käyttää laajasti ihmisiin.

Maaliskuussa 2020 yhdysvaltalainen silmälääkäri Mark Pennesi ryhtyi kokeeseen, jossa CRISPR pistetään suoraan sokeuttavaa sairautta, Leberin synnynnäistä amauroosia, sairastavien potilaiden verkkokalvon alle. Sairauden taustalla on periytyvä CEP-290-geenin mutaatio.

CRISPR-hoito tähtää mutaation hävittämiseen potilaiden verkkokalvosoluista näkökyvyn parantamiseksi.

Hiirikokeissa hoitotulokset ovat olleet toiveita herättäviä, mutta Pennesin tutkimuksesta on tihkunut tähän mennessä niukasti tietoa.

Menetelmän odotetaan toimivan suunnitellusti, mutta se ei ole suinkaan riskitön. Koehenkilöt ovat vaarassa saada haitallisia muutoksia perimäänsä juuri samalla tavalla kuin kaksostytöt saivat niitä He Jiankuin tekemässä tutkimuksessa.