/

Bohater na miarę XXI wieku, czyli jak edycja genów ratuje ludzkie życia

avatar
Dr Joanna Stojak 29 Cze, 8 minut czytania

Modyfikacje genetyczne przeżywają swój „złoty wiek”. W 2020 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii otrzymały Emmanuelle Charpentier i Jennifer A. Doudna, autorki metody CRISPR/Cas9, potocznie określanej jako „precyzyjne nożyczki do genów”. Narzędzie to znalazło zastosowanie w najróżniejszych dziedzinach, ale cóż mamy cenniejszego niż zdrowie? Edycja genów przede wszystkim świetnie sprawdza się w opracowywaniu nowych leków i terapii oraz skutecznej i szybkiej diagnostyce, czyli ratowaniu (dosłownie!) ludzkich żyć.

 

Bakterie lepsze niż Avengers

Czym jest ta enigmatyczna „edycja genów”? Mimo iż budowa DNA na pierwszy rzut oka jest niezwykle prosta i pozornie składa się z kilku „literek” (w zapisie sekwencji DNA stosuje się symbole A, G, C i T, reprezentujące odpowiednie zasady azotowe: adeninę, guaninę, cytozynę i tyminę), struktura i dynamika tej cząsteczki są w rzeczywistości niezwykle skomplikowane. Rozwój inżynierii genetycznej pozwolił na opracowanie wielu metod umożliwiających modyfikacje genetyczne, jednak to właśnie wspomniany wyżej system CRISPR/Cas9 okazuje się być szybszym, tańszym, dokładniejszym i najbardziej wydajnym narzędziem edycji genomu. W przeciwieństwie do innych metod, CRISPR/Cas9 nie musi współpracować z oddzielnymi enzymami, samodzielnie przecinając nici DNA, jednocześnie precyzyjnie celując w wiele genów. Dzięki CRISPR/Cas9 możliwa jest trwała modyfikacja genów w komórkach żywych organizmów, na przykład naprawa mutacji w ludzkim genomie, odpowiedzialnych za proces chorobotwórczy [1]. Jak to działa?

Pierwszym sposobem jest ten wykorzystywany w terapiach genowych, czyli (w uproszczeniu) pobranie komórek od pacjenta, zmodyfikowanie ich w laboratorium i ponowne wprowadzenie do organizmu dawcy [2]. Drugą możliwością jest edycja genów in vivo, czyli wprowadzenie bezpośrednio do organizmu pacjenta (na przykład wewnątrz nanocząsteczek) CRISPR/Cas9, który przeprowadzi celowe modyfikacje „na miejscu”. Ta metoda pozostaje jednak jeszcze w fazie testów [3].

Opracowanie techniki CRISPR/Cas9 nie byłoby możliwe, gdyby nie przypadek. Podczas badań nad bakterią Streptococcus pyogenes Emmanuelle Charpentier zaobserwowała, jak bakterie niszczyły wirusy, szatkując ich DNA. Okazało się, że było to wynikiem ich „nabytej odporności”. Bakterie, które przeżyły atak wirusa „zapamiętywały” charakterystyczne dla niego sekwencje, wbudowując je w ramach tzw. sekwencji CRISPR. W przypadku kolejnego kontaktu z wirusem, jego informacja genetyczna, komplementarna do obszaru CRISPR, była natychmiast rozpoznawana i cięta przez białka Cas9 [4]. Dalsze badania nad tym mechanizmem pokazały, że można go skutecznie kontrolować i przecinać przy jego użyciu dowolną cząsteczkę DNA w określonym miejscu i następnie wprowadzać tam modyfikacje.

Jeśli spojrzymy na statystyki, szybko zrozumiemy, dlaczego technika CRISPR/Cas9 uważana jest za tak ważne osiągnięcie. Szacuje się, że ponad 10 tysięcy chorób spowodowanych jest pojedynczymi mutacjami w ludzkim genomie, które potencjalnie można by naprawiać używając właśnie edycji genów. Oznacza to, że CRISPR/Cas9 daje nadzieję na opracowanie nowych terapii przeciwnowotworowych oraz leczenie chorób uwarunkowanych genetycznie.

 

Ciemna strona mocy

Nowotwory istniały od zawsze i pomimo wielu postępów w ich leczeniu, wciąż odnieść można wrażenie, że jesteśmy krok za nimi. To przeciwnik niezwykle przebiegły i inteligentny. Komórki nowotworowe potrafią stać się niewidzialne dla układu immunologicznego, na przykład obniżając ekspresję genów głównego układu zgodności tkankowej (MHC), odpowiedzialnych za prezentację antygenów limfocytom T lub hamując działanie limfocytów T poprzez zwiększoną ekspresję genów ligandów PD-L1 czy PD-L2, które „zapychając” receptory PD-1 limfocytów T fałszywymi etykietkami, oszukują układ immunologiczny, dając wrażenie, że komórki nowotworowe są normalnymi komórkami organizmu [5]. Podobnych sprytnych sztuczek wykorzystywanych przez komórki nowotworowe jest bardzo wiele i niestety wciąż nie rozumiemy wszystkich ich mechanizmów molekularnych. Prowadzi to w konsekwencji do tego, że nadal nie wiemy, dlaczego różni pacjenci reagują odmiennie na stosowane terapie – podczas gdy u jednych następuje wyleczenie i wieloletnia remisja, u innych możemy nie zaobserwować żadnej reakcji organizmu lub nawet szybki nawrót choroby.

W leczeniu nowotworów stosuje się różne strategie. Immunoterapia dąży do stymulacji przeciwnowotworowej odpowiedzi immunologicznej organizmu, wykorzystując inhibitory immunologicznych punktów kontroli. Zablokowanie receptora powierzchniowego PD-1 oraz jego ligandów PD-L1 czy PD-L2 sprawia, że komórki nowotworowe nie są już dłużej niewidoczne dla układu immunologicznego i limfocyty T mogą przystąpić do ich niszczenia [5]. Z kolei terapia genowa polega na wprowadzaniu obcych kwasów nukleinowych (DNA lub RNA) do komórek, aby te produkowały określone, kodowane przez wprowadzony gen białko (np. w przypadku jego niedoboru) lub aby wprowadzone geny zmieniły (np. hamowały) ekspresję genów niepożądanych [2]. Terapia genowa sprawdza się także w leczeniu innych schorzeń i naprawdę może zdziałać cuda! Przekonał się o tym pewien mężczyzna, który od ponad 40 lat był niewidomy na skutek retinopatii barwnikowej, choroby o podłożu genetycznym, która niszczy światłoczułe komórki siatkówki (fotoreceptory). Do siatkówki pacjenta wprowadzono gen pochodzący od jednokomórkowego gatunku alg, odpowiedzialny za wyczuwanie i reagowanie na światło słoneczne. Oczywiście mężczyzna nie widzi kolorów, a rozdzielczość uzyskanego obrazu nie jest wysoka, jednak po raz pierwszy od tylu lat mógł zobaczyć zarysy przedmiotów znajdujących się przed nim [6].

Nową i bardzo obiecującą strategią leczenia nowotworów jest personalizowana terapia celowana molekularnie. Terapie celowane wydłużają średnią długość życia pacjenta nawet dwukrotnie! Wszystko dlatego, że chemioterapia standardowo stosowana w leczeniu nowotworów niszczy wszystkie komórki organizmu, podczas gdy leki celowane nie są typowymi cytostatykami i atakują tylko nieprawidłowe komórki nowotworowe z określoną zmianą genetyczną, oszczędzając pozostałe, zdrowe komórki. Podstawą terapii celowanej jest analiza genetycznego profilu komórek nowotworowych u konkretnego pacjenta i identyfikacja dominującego mechanizmu ich namnażania, który następnie powinien być zablokowany. Najczęściej stosowanymi lekami celowanymi są przeciwciała monoklonalne i inhibitory kinaz. Na przykład w leczeniu białaczki szpikowej stosuje się inhibitor, który blokuje gen c-abl kinazy tyrozynowej w komórkach nowotworowych, zapobiegając powstawaniu kolejnych [7].

Niezależnie od metody leczenia, niezwykle istotną kwestią jest precyzyjne dostarczanie leków bezpośrednio do komórek nowotworowych. Dzięki temu transportowany materiał genetyczny zostaje uwolniony dokładnie tam, gdzie trzeba, na przykład jedynie w miejscu, gdzie panują odpowiednie warunki pH [8]. Tego typu zastosowaniem nanotechnologii zajmuje się nanomedycyna, która zapewnia przystępną cenowo, spersonalizowaną opiekę zdrowotną.

 

Superbohater w pigułce

W przypadku wielu schorzeń nie trzeba jednak wcale modyfikować od razu naszych genomów, wystarczą dobre farmaceutyki. Okazuje się, że do produkcji leków na skalę przemysłową mogą być z powodzeniem wykorzystywane zwierzęta transgeniczne i ich komórki. Doskonałym przykładem będą tutaj między innymi antytrombina III, lek przeciwzakrzepowy produkowany przez transgeniczne kozy w ich mleku [9] czy insulina wytwarzana w modyfikowanych genetycznie bakteriach Escherichia coli [10]. Również leki przeciwnowotworowe, na przykład zawierające przeciwciała monoklonalne, są wytwarzane z zastosowaniem odpowiednio zmodyfikowanych genetycznie hodowli komórkowych [11]. Realną alternatywą staje się również produkcja różnorodnych białek (m.in. przeciwciał monoklonalnych, hormonów, składników krwi czy interferonów) w roślinach. Modyfikowane genetycznie rośliny pełnią funkcję bioreaktorów, wytwarzając znacznie większe ilości rekombinowanych białek niż z zastosowaniem komórek zwierzęcych [12].

Drobnoustroje, rośliny i zwierzęta modyfikowane genetycznie zrewolucjonizowały również produkcję szczepionek, dzięki którym niestraszne są nam choroby, które kiedyś terroryzowały świat – dzięki szczepionkom udało się przecież zupełnie wyeradykować ospę prawdziwą czy na długo zapomnieć o chorobach takich jak polio czy odra. Jednym z przykładów jest rekombinowana szczepionka przeciwko WZW typu B, wytwarzana przez modyfikowane genetycznie drożdże piekarskie [13]. Ciekawym rozwiązaniem są również tzw. „jadalne szczepionki”, czyli białko antygenowe wytwarzane w jadalnych częściach rośliny i wchłaniane do krwioobiegu, gdzie pobudza układ odpornościowy do wytwarzania przeciwciał przeciwko patogenowi, z którego pochodzi antygen [14]. Jest to bezpieczna, tania i bezbolesna alternatywa dla standardowych szczepionek, szczególnie w mniej rozwiniętych regionach świata z ograniczonym dostępem do warunków chłodniczych i sterylnych igieł.

Pisząc o szczepionkach nie można oczywiście zapomnieć o zupełnej nowości i przełomie w produkcji szczepionek ochronnych – szczepionkach mRNA. Czym ten preparat różni się od „standardowych” szczepionek wektorowych, czy bazujących na zmodyfikowanych i osłabionych cząsteczkach wirusów zawierających białko antygenowe? Szczepionki mRNA zawierają cząsteczkę matrycowego RNA, w której „zapisano” instrukcję jak organizm może samodzielnie wytworzyć białko antygenowe. Proces produkcji i wprowadzania do dystrybucji nowych szczepionek wektorowych trwa zazwyczaj dość długo, nawet 10 lat, jednak nie w przypadku nowoczesnej technologii mRNA. Dlaczego? Synteza mRNA jest bardzo tania i wydajna, a sekwencję cząsteczki można zaprojektować dowolnie w oparciu o inne sekwencje podobnych wirusów. Szczepionki te opracowuje się w dedykowanych laboratoriach, które spełniają zupełnie inne, rygorystyczne normy bezpieczeństwa – ale nie w laboratoriach pracy z wirusami, jak w ma to miejsce w przypadku szczepionek starszego typu.

Co przydatnego można jeszcze zrobić, jeśli umie się edytować DNA? Na przykład można stworzyć genetycznie modyfikowane komary, które wytwarzają białko SM1, zapobiegające wniknięciu pierwotniaka, zarodźca malarii do jelita owada. Tym samym cykl rozwojowy pasożyta zostaje przerwany i może pomóc w ograniczeniu rozprzestrzeniania się malarii [15]. Komary to najniebezpieczniejsze zwierzęta na świecie, bo przenoszone przez nie choroby zabijają co roku rzesze ludzi. Jak widać i z tym można sobie poradzić dzięki modyfikacjom genetycznym.

 

Rewolucja w diagnostyce

Modyfikacje genetyczne pozwalają na coraz skuteczniejsze metody leczenia i produkcję wydajnych leków, ale wiadomo, że najlepiej jest zapobiegać niż leczyć oraz że najbardziej skutecznie leczy się choroby w ich wczesnym stadium. Dlatego tak ważna jest diagnostyka.

Diagnostyka molekularna stanowi jeden z najszybciej rozwijających się segmentów rynku diagnostycznego. Gwałtowny rozwój biotechnologii w ostatnich latach sprawił, że niemal codziennie wykrywane są nowe markery molekularne różnych chorób, od nowotworów, po cukrzycę, choroby serca, zaburzenia psychiatryczne czy choroby neurologiczne [16]. Ta wiedza umożliwia opracowywanie coraz bardziej złożonych, niezwykle czułych i specyficznych paneli testów, które nie tylko skuteczniej wykrywają różne schorzenia, ale również pozwalają na ocenę ryzyka jego wystąpienia. Testy systemowe zapewniają krótszy czas realizacji (od pobrania próbki do wyniku) i są bardziej przyjazne pacjentom, jako że coraz częściej zamiast pobranej podczas biopsji tkanki wykorzystują ślinę, mocz czy krew. W ostatnich latach znacznie obniżyły się również koszty sekwencjonowania całych genomów (ang. whole genome sequencing, WGS), co daje dostęp do olbrzymich zestawów przydatnych klinicznie danych genetycznych od wielu użytkowników z różnych populacji. Informacje te z powodzeniem są wykorzystywane w analizach z zakresu zdrowia publicznego, opracowywaniu nowych metod terapii, ale – co najważniejsze – w indywidualnym doborze najbardziej optymalnych metod leczenia [17-19].

W diagnostyce molekularnej wykorzystuje się różne strategie z zastosowaniem sekwencjonowania nowej generacji. W przypadku dobrze poznanych i opisanych chorób genetycznych testy analizują ograniczoną liczbę genów związanych z określoną grupą chorób lub fenotypów. Jeśli jednak analiza genów kandydujących nadal nie zidentyfikowała przyczyn choroby, można ją rozszerzyć na analizę całego eksomu – około 1-2% ludzkiego genomu, obejmujące obszary kodujące wszystkich genów, nieobjętych początkowym panelem. W przypadku sekwencjonowania całych genomów (WGS, najszerszej możliwej), analizie podlegają wszystkie informacje zapisane w DNA pacjenta, włączając regiony niekodujące (introny i regiony regulacyjne). Dzięki temu możliwa jest identyfikacja złożonych zmian strukturalnych, między innymi zmian liczby kopii czy translokacji chromosomowych, często z dokładnością pojedynczej zasady nukleotydowej! WGS pozwala także na wykrycie mutacji w genach i regionach niepowiązanych nigdy wcześniej z żadną chorobą [17-19].

Zastosowanie czułych i specyficznych testów genetycznych umożliwia nie tylko poprawną identyfikację chorób, ale również precyzyjne określenie przyczyn jej wystąpienia i uniknięcie potencjalnych błędów/opóźnień w terapii. Im więcej wiemy o wrogu, tym łatwiej nam wygrać walkę o zdrowie pacjenta. Diagnostyka molekularna zdecydowanie daje na to największe szanse, dlatego tak ważne jest, aby była częścią podstawowej opieki zdrowotnej, dostępnej dla każdego. Niezwykle ważną kwestią pozostaje tutaj edukacja lekarzy oraz… dofinansowanie testów genetycznych.

 

Podsumowanie

Rozwój medycyny to nic innego jak wyścig zbrojeń. Czy kiedyś przestaniemy chorować? Czy wykluczymy z populacji choroby uwarunkowane genetycznie i nowotwory? Już dziś możemy zauważyć znaczne postępy w szybkiej diagnostyce i wprowadzaniu skutecznych terapii z wykorzystaniem modyfikacji genetycznych. Pomimo olbrzymiej wiedzy, nadal jednak trzeba stawić czoło wielu niewiadomym, a przed naukowcami i lekarzami wciąż sporo wyzwań. Co więcej, mimo iż modyfikacje genetyczne często ratują ludzkie życia, nadal nie mają najlepszej opinii i zaufania wśród sporej części społeczeństwa. Wokół metod inżynierii genetycznej narosło mnóstwo mitów, a „grzebanie w genach” brzmi groźnie i skomplikowanie. Niestety, niechęć i obawy wynikają często… z niewiedzy.

Możliwość edycji genów oczywiście pociąga za sobą dylematy etyczne, jednak daje również szansę na zdrowszy świat. I mam nadzieję, że wraz z dalszym rozwojem biotechnologii i edukacją społeczeństwa, świat ten będzie wyposażony w skuteczne i tanie metody diagnostyczne i terapeutyczne, dostępne dla każdego.

 

 

Literatura:

[1] Doudna JA, Charpentier E. 2014. Genome editing. The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9. Science 346(6213): 1258096.

[2] Das S.K., Menezes M.E., Bhatia S., Wang X.Y., Emdad L., Sarkar D., Fisher P.B. 2015. Gene therapies for cancer: strategies, challenges and successes. Journal of Cellular Physiology 230(2): 259-171.

[3] Dasgupta I., Flotte T.R., Keeler A.M. 2021. CRISPR/Cas-dependent and nuclease-free in vivo therapeutic gene editing. Human Gene Therapy 32: 275-293.

[4] Le Rhun A., Escalera-Maurer A., Bratovič M., Charpentier E. 2019. CRISPR-Cas in Streptococcus pyogenes. RNA Biology 16(4): 380-389.

[5] Emens L.A., Ascierto P.A., Darcy P.K. et al. 2017. Cancer immunotherapy: Opportunities and challenges in the rapidly evolving clinical landscape. European Journal of Cancer 81: 116-129.

[6] https://www.technologyreview.com/2021/05/24/1025251/a-blind-man-can-perceive-objects-after-a-gene-from-algae-was-added-to-his-eye/

[7] Smith C., Prasad V. 2021. Targeted cancer therapies. American Family Physician 103(3): 155-163.

[8] Martin J.D., Cabral H., Stylianopoulos T., Jain R.K. 2020. Improving cancer immunotherapy using nanomedicines: progress, opportunities and challenges. Nature Reviews Clinical Oncology 17: 251-266.

[9] Edmunds T., Van Patten S.M., Pollock J., Hanson E., Bernasconi R., et al. 1998. Transgenically produced human antithrombin: structural and functional comparison to human plasma-derived antithrombin. Blood 91(12): 4561-4571.

[10] Chen J.Q., Zhang H.T., Hu M.H., Tang J.G. 1995. Production of human insulin in an E. coli system with Met-Lys-human proinsulin as the expressed precursor. Applied Biochemistry and Biotechnology 55(1): 5-15.

[11] https://www.tga.gov.au/guidance-21-medicines-produced-genetic-manipulation

[12] Goldstein D.A, Thomas J.A. 2004. Biopharmaceuticals derived from genetically modified plants. QJM: An International Journal of Medicine 97(11): 705–716.

[13] McAleer W.J., Buynak E.B., Maigetter R.Z., Wampler D.E., Miller W.J., Hilleman M.R. 1984. Human hepatitis B vaccine from recombinant yeast. Nature 307(5947): 178-180.

[14] Dobrica MO, Lazar C, Paruch L, van Eerde A, Clarke JL, Tucureanu C, Caras I, Ciulean S, Onu A, Tofan V, Branzan A, Urban S, Stavaru C, Branza-Nichita N. 2018. Oral administration of a chimeric Hepatitis B Virus S/preS1 antigen produced in lettuce triggers infection neutralizing antibodies in mice. Vaccine 36(38): 5789-5795.

[15] Wang S., Jacobs-Lorena M. 2013. Genetic approaches to interfere with malaria transmission by vector mosquitoes. Trends in Biotechnology 31(3): 185–193.

[16] Mehta S., Shelling A., Muthukaruppan A., Lasham A., Blenkiron C., Laking G., Print C. 2010. Predictive and prognostic molecular markers for cancer medicine. Therapeutic Advances in Medical Oncology 2(2): 125–148.

[17] Ellingford J.M., Barton S., Bhaskar S., Williams S.G., Sergouniotis P.I. et al. 2016. Whole Genome Sequencing increases molecular diagnostic yield compared with current diagnostic testing for inherited retinal disease. Ophthalmology 123(5): 1143–1150.

[18] Dwivedi S., Purohit P., Misra R., Pareek P., Goel A. et al. 2017. Diseases and molecular diagnostics: a step closer to precision medicine. Indian Journal of Clinical Biochemistry 32(4): 374-398.

[19] Hou Y.C.C., Yu H.C., Martin R., Cirulli E.T., Schenker-Ahmed N.M. et al. 2020. Precision medicine integrating whole-genome sequencing, comprehensive metabolomics, and advanced imaging. Proceedings of the National Academy of Sciences 117(6): 3053-3062.

 

p.s. obrazek z serwisu https://www.freepik.com/ 

 

 

Podziel się: