CRISPR/Cas9

Prokaryootit eli esitumalliset ovat aliarvostettuja. Kyllä, ne ovat monella tapaa yksinkertaisia verrattuna eukaryootteihin eli aitotumallisiin, mutta niillä on monia kikkoja, jotka eivät lakkaa hämmästyttämästä.

Mainostin jo aikaisemmin videota, jossa kerrotaan perustutkimuksen tärkeydestä [Tiedeuutisointi ja tutkimusrahoitus]. Kyseisessä videossa oli lyhyt tarina bakteereista, niistä löydetyistä DNA:ta leikkaavista restriktioentyymeistä, sekä siitä miten nämä entsyymit mullistivat nykyisen tapamme tehdä tutkimusta.

 

DNA:n kohdennettu leikkaus on in. Kuvalähde: Wikipedia.

Laskisin samaan luokkaan CRISPR/Cas9-systeemin, joka on bakteerien puolustusmekanismi viruksia ja muiden bakteerien plasmideja vastaan. Tässä puolustuksessa bakteeri ottaa siihen hyökänneen viruksen DNA:sta osia, jotka se lisää omaan genomiinsa. Viruksen tullessa myöhemmin bakteeri tuottaa tästä DNA:sta kohdennus-RNA:ta, joka pystyy sitoutumaan viruksen perimään. Yhdessä useiden entsyymien kanssa tämä kohdennus-RNA ohjaa DNA:ta pilkkovat entsyymit viruksen perimän kimppuun tuhoten sen.

Merkittävin ero restriktioentsyymien ja CRISPR/Cas9-menetelmän välillä on se, että siinä missä restriktioentyymiset tunnistavat noin kuuden emäksen sekvenssejä leikkaukohdan ympärillä, tunnistaa CRISPR/Cas9-menetelmä noin 20 emästä. Käytännössä siis perimämme, joka koostuu noin 3 miljardista emäsparista, sisältää useita restriktioentsyymien leikkauskohtia jo ihan pelkästään sattuman takia. 20 emästä on kuitenkin jo niin pitkä emäsjono, että niitä on vain muutamia perimässä, jolloin CRISPR/Cas9-menetelmä voidaan kohdentaa tiettyyn kohtaan perimäämme.

Tekniikka & Talous –sivusto uutisoi[1] myös kyseisestä CRISPR/Cas9-tekniikasta, joka on varmaan tämän hetken seksikkäin metodi bioalalla. Haluaisin tehdä muutamia tarkennuksia uutiseen.

”Kansainvälinen tutkijaryhmä on saanut selville, kuinka entsyymit muuttavat geenejä. Tieto tuo yhä lähemmäksi mahdollisuuden, että perinnöllisiä sairauksia voitaisiin hoitaa muuttamalla potilaan geenejä.”

Omaan korvaani särähtää heti alussa oleva lausahdus ”kuinka entsyymit muuttavat geenejä”. Ensinnäkin se, että entsyymit voivat ”muuttaa” geenejä, ei ole mikään uutinen, sillä olemme tutkineet ja käyttäneet restriktioentsyymejä jo kymmeniä vuosia. Todellisuudessa restriktioentyymiset tai CRISPR/Cas9-systeemi eivät myöskään muuta geenejä mitenkään, vaan ne ainoastaan leikkaavat DNA:ta tiettyjen emäsjärjestysten kohdista. Itse muutos geeneissä aiheutuu siitä, että solun korjausmekanismit tunnistavat nämä leikkauskohdat ja yrittävät nopeasti korjata ne. Korjaus ei kuitenkaan ole aina täydellistä, jolloin sinne syntyy helposti muutoksia. Nämä muutokset voivat puolestaan tehdä geeneistä toimimattomia.

Entsyymit eivät myöskään leikkaa ainoastaan geenejä, vaan ne leikkaavat mitä tahansa DNA:ta tai RNA:ta, kunhan ne vain tunnistavat kohteesta tietyn emäsjärjestyksen.

Bristolin ja Münsterin yliopistojen ja Liettuan bioteknologian laitoksen tutkijat ovat tutkineet Crispr- eli tuttavallisemmin crisperentsyymien kykyä sitoa ja muuttaa dna:n rakenteita.

Olen ehkä vanhanaikainen, mutta sydämeni itkee verta kun näen jonkun kirjoittavan DNA:n pienillä kirjaimilla, vaikka se onkin oikein kielikeskuksen mukaan. Sama pätee CRISPR-menetelmään enkä edes kommentoi ”crisperentsyymejä”.

Proceedings of the National Academy of Sciences –julkaisussa ilmestyneen tutkimuksen mukaan tämä on läpimurto yrityksessä muokata dna:ta ja sairauksien parantamista geenejä muuttamalla.

Crisperentsyymit löydettiin alun perin 1980-luvulla bakteereista. Entsyymit suojelevat bakteereita viruksilta. Nyt tutkijat ovat huomanneet, että tietyntyyppinen crisperentsyymi Cas9 pystyy muokkaamaan ihmisen geenejä.

Lähellä, muttei aivan. Normaalisti CRISPR-systeemissä tarvitaan useita entsyymejä kohde-DNA:n leikkaamiseksi. Tämänlaisen koneiston toimittaminen soluviljelyssä käytettyihin soluihin saatikka eläimeen olisi erittäin epäkäytännöllistä. Tutkijat löysivät kuitenkin joitakin vuosia sitten esitumallisen, jossa yksi entsyymi (Cas9) hoiti kaikki tärkeimmät toiminnot (kohdennus-RNA:n tunnistaminen ja DNA:n leikkaaminen). Tämä entsyymi ei itsessään tunnista mitään DNA:ta, vaan se tarvitsee aina avukseen yllä mainitun kohdennus-RNA:n. Cas9 itsessään kykenee siis leikkaamaan mitä tahansa DNA:ta, oli se sitten ihmisen tai ei.

Nämä entsyymit on räätälöity tarttumaan tiettyyn dna:n molekyylin kirjainyhdistelmään kolmesta miljardista dna-molekyyliparista. Entsyymi käyttää rna-molekyylejä löytääkseen oikean kohteen ihmisen valtavasta dna-ketjusta. Crisperentsyymi repii halutun dna-pätkän auki ja lisää rna:n paikalle muodostaakseen r-silmukaksi kutsutun rakenteen.

Korostaisin tässäkin, että itse entsyymit ovat aina muuttumattomia, halusivat tutkijat leikata mitä tahansa geeniä. Tämän menetelmän hienous on juuri siinä, että siinä tarvitsee muokata ainoastaan tätä kohteeseen kohdennettua RNA:ta, mikä on erittäin yksinkertaista verrattuna entsyymin muokkaamiseen.

Tutkijat näkivät r-silmukan toiminnan mikroskoopilla, joka venyttää dna:ta magneettikentän avulla. Näin he pystyivät havaitsemaan, kuinka entsyymi vaikutti dna:n muokkaukseen.

Tulevaisuudessa tämä voi auttaa perinnöllisten sairauksien hoidossa.”

Tämä viimeinen lause on tietenkin pakollinen korulause, joka on vielä kaukana realismista. CRISPR/Cas9 on hyvin yksinkertainen systeemi ja siksi sitä onkin käytetty onnistuneesti bakteereissa, hiivassa, madoissa, riisissä, seeprakaloissa, banaanikärpäsissä, sammakoissa, hiirissä, possuissa ja jopa apinoissa. Menetelmän kehittäjät ovat myös perustaneet yrityksen [Editas], jonka tavoite on kehittää menetelmää ihmisiin käytettäväksi.

Perimän muokkaamiseen liittyy huomattavia eettisiä ongelmia. Jos haluaisimme parantaa geneettisiä sairauksia, pitäisi perimän muokkaus tehdä lähes poikkeuksetta alkioissa tai sukusoluissa. Nopeasti myös kohtaamme sen rajan, mitä on hyväksyttävää muokata. Vakavan geneettisen sairauden poistaminen tuskin tuottaa eettistä päänvaivaa, mutta onko oikein muokata vaikka ApoE4-geeniä, jossa olevat mutaatiot lisäävät ainoastaan riskiä sairastua tiettyihin sairauksiin?

Kaikkia geneettisiä muokkauksia ei kuitenkaan tarvitse tehdä kehityksemme alkuvaiheissa. Yksi mielenkiintoisimmasta CRISPR/Cas9-julkaisuista koki päivänvalon viime maaliskuussa, kun menetelmällä korjattiin erään entsyymin mutaatio hiirten maksassa[2], joka johti maksan toiminnan kohentumiseen. Tämänlaisia korjaustoimenpiteitä voidaan kuitenkin suorittaa vain elimissä, joilla on uusiutumiskykyä, joten sen käyttömahdollisuudet ovat kovin rajattuja.

Itse korostaisin enemmän CRISPR/Cas9-menetelmän hyötyjä tutkimukselle. Uuden hiirimallin luominen vie tohtorikoulutettavalta 2-3 vuotta tai vaihtoehtoisesti yhtiöltä suoraan ostettuna hiiri maksaa noin 50 000 €. Useimpien tutkimusryhmien budjetit eivät siis riitä lähimainkaan hiirimallien kehittämiseen tai ylläpitämiseen. CRISPR/Cas9-menetelmä on kuitenkin niin edullinen ja nopea, että yhä useammat tutkimusryhmät voivat kehittää eri eläin- ja kasvimalleja tutkimukseen. Nopeaa ja kustannustehokasta, kuka voisi sanoa ei?

Tutkija kellarista

---

[1] http://www.tekniikkatalous.fi/innovaatiot/tiede/lapimurto+dnan+muokkauksessa+ndash+sairaudet+parannetaan+korjaamalla+geenivirheet/a990262

[2] http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24681508