Az anyjuktól és apjuktól kapott legfontosabb ajándék
a DNS hárommilliárd betűből álló két készlete,
amelyet genomnak hívunk.
De mint minden, ami hárommilliárd részből áll,
ez az ajándék is sérülékeny.
Napfény, dohányzás, egészségtelen táplálkozás,
sőt még spontán génhibák is
genomunk módosulását okozzák.
A leggyakoribb génmódosulás
az egyszerű betű vagy bázis cseréje, pl. a C betűé
más betűvel, pl. a T, G vagy A betűvel.
Nap mint nap testünk sejtjei együttesen
milliárdnyi egybetűs cserét halmoznak föl: ezek az ún. pontmutációk.
E pontmutációk zöme veszélytelen.
De hébe-hóba
egy-egy pontmutáció a sejt fontos képességét rombolja szét,
vagy a sejt veszélyes működését váltja ki.
Ha a mutációt szüleinktől örököltük,
vagy igen korai fejlődésünk idején alakult ki,
annak eredménye, hogy sok vagy minden sejtünk
tartalmazza e veszélyes mutációt.
Akkor önök lesznek
a százmilliónyi génbeteg ember egyike.
Ilyen pl. a sarlósejtes anémia vagy a progéria
vagy az izomsorvadás vagy a Tay–Sachs-kór.
A pontmutáció okozta súlyos genetikai betegségek
különösen nyomasztók,
mert gyakran tudjuk, hogy a kórt épp melyik betű okozza,
és elvileg melyikkel gyógyítható.
Milliók szenvednek sarlósejtes anémiában,
mert egyetlen A betű T-be mutálódott
hemoglobingénjük mindkét példányában.
A progériás gyerekek a genom egy pontjában lévő
T-nukleotiddal születnek,
ahol pedig C-nek kellene lennie,
és a következmények oly szörnyűk, hogy e csodás, éles eszű gyerekek
igen gyorsan öregszenek, és kb. 14 éves korukra meghalnak.
A gyógyítás története során
nem alakult ki hatékony módszerünk
a pontmutáció élő szervezetekben való kijavítására,
hogy a betegséget okozó T-t C-vé változtassuk.
Tán csak mostanáig.
Mert laboromnak nemrég sikerült
az ún. bázisszerkesztési módszert kidolgoznia.
A bázisszerkesztés története
voltaképp hárommilliárd éve kezdődött.
Baktériumokra fertőzésforrásokként gondolunk,
ám a baktériumok maguk is fertőzésre hajlamosak.
Konkrétan, vírusokkal.
Kb. hárommilliárd éve
vírusfertőzés elleni védelmi mechanizmust fejlesztettek ki.
E védelmi mechanizmus inkább CRISPR néven ismeretes.
A CRISPR robbanófeje a bíbor fehérje,
amely molekuláris DNS-vágó ollóként működik,
mert a kettős csavarvonalat kettévágja.
Ha a CRISPR nem képes különbséget tenni a baktérium és a vírus DNS-e között,
a védelmi rendszer nemigen hasznos.
Ám a CRISPR legcsodásabb tulajdonsága,
hogy az olló úgy programozható, hogy csak egyedi DNS-szekvenciát
keressen, vágjon,
és csak hozzá kötődjön.
Amikor először találkozik a baktérium a vírussal,
képes a vírus egy DNS-darabkáját elrakni,
hogy programként használja a CRISPR-olló irányítására
a vírus DNS-szekvenciájának kivágására a következő fertőzéskor.
Ha belevág a vírus DNS-ébe, azzal megzavarja a vírusgén működését,
és ezzel összeomlasztja a vírus életciklusát.
Emmanuelle Charpentier, George Church,
Jennifer Doudna és Feng Zhang neves kutatók
hat éve mutatták ki a CRISPR-ollók programozási módszerét
a kellő DNS-szekvencia kivágására,
beleértve a humán genomot,
és nem csak a baktérium választotta vírusok DNS-szekvenciáit.
De az eredmények hasonlók.
Genomunk DNS-szekvenciájának kivágása is
általában összeomlasztja a megvágott gén működését,
mert DNS-betűk véletlenszerű elegyének beillesztését és törlését okozza
a megvágott helyen.
A gének tönkretétele egyes alkalmazásoknál igen hasznos lehet.
Ám a genetikai kórokat okozó legtöbb pontmutációnál
a már mutálódott gén puszta kivágása a páciensnek nem jelent megoldást,
mert a mutálódott gén működését még helyre is kell állítani,
nem pedig tovább rongálni.
Ezért a sarlósejtes anémiát okozó,
már mutálódott hemoglobingén megvágásától
nem áll helyre a páciens vörösvérsejt-képző képessége.
Noha új DNS-szekvenciákat néha be tudunk juttatni a sejtekbe,
a megvágott helyet körülvevő DNS-szekvenciák helyére,
de sajnos, a folyamat a legtöbb sejtfajtánál nem működik,
és a roncsolt gén hatása továbbra is érvényesül.
Sok tudóshoz hasonlóan én is oly jövőről álmodoztam,
amelyben kezelhetjük vagy tán meg is gyógyíthatjuk
a humán genetikai kórokat.
De láttam, hogy hiányzik a pontmutáció kijavítási módszere;
e mutáció okozza a humán genetikai kórok zömét.
Ez a fő akadály.
Vegyész lévén diákjaimmal nekiláttunk
közvetlenül egy-egy DNS-bázisra ható vegyi módszerek kifejlesztésének,
hogy a kórokozó mutáció inkább ki legyen javítva, semmint elroncsolva.
Igyekezetünk eredménye:
az ún. bázisszerkesztő molekuláris gép.
Ezek a CRISPR-olló programozható keresőmechanizmusát használják,
de a DNS vágása helyett
az egyik bázist közvetlenül másikká változtatják át
a gén többi részének károsítása nélkül.
Ha a természetes CRISPR-fehérjéket molekuláris ollóknak fogjuk föl,
akkor a bázisszerkesztők ceruzának tekinthetők,
amelyek egy-egy DNS-betűt közvetlenül másikká írnak át.
Ehhez a DNS-bázis atomjait
más bázissá rendezik át.
Bázisszerkesztők a természetben nem léteznek.
Itt látható az első mesterséges bázisszerkesztőnk,
amelyet három fehérjéből állítottunk elő,
amelyek még csak nem is egy szervezetből származnak.
A CRISPR-olló DNS-vágási képességének kikapcsolásával kezdtük,
de meghagytuk a képességét, hogy programozottan keressen
és kapcsoljon össze célba vett DNS-szekvenciákat.
A kékkel jelölt kikapcsolt CRISPR-ollóhoz
a pirossal jelölt másik fehérjét kapcsoltuk,
amely a C DNS-bázison vegyi reakciót hajt végre,
ezzel azt T-viselkedésű bázissá alakítja.
Harmadszor, még hozzá kellett adnunk az első két fehérjéhez
a lilával jelölt harmadikat,
amely a szerkesztett bázist megóvja attól, hogy a sejt eltávolítsa.
Az eredmény a háromrészes fehérje,
amely elsőként teszi lehetővé
a genom meghatározott helyén lévő C átalakítását T-vé.
De elvégzendő munkánknak ez csak a fele.
Mert ahhoz, hogy a sejtekben rögzüljenek,
a DNS kettős csigavonalának két szálát bázispároknak kell összekötniük.
Mivel a C-hez csak a G kapcsolódhat,
és a T-hez pedig csak az A,
ha a C-t csupán T-vé módosítjuk az egyik DNS-szálban,
az zavart, összeférhetetlenséget okoz a két DNS-szál között,
amelyet a sejtnek kéne megoldania, eldöntve: melyik szálat helyettesítse.
Rájöttünk, hogy még tovább is javíthatjuk e háromrészes fehérjét,
ha bevágással cserélendőnek jelöljük meg
a szerkesztetlen szálat.
E kis vágás becsapja a sejtet:
engedi a szerkesztetlen G A-ra cserélését
a megvágott szál átalakítása révén.
Ezzel befejeződik a korábbi C–G pár
stabil T–A párrá való átalakítása.
Több évi szorgalmas munka után,
amelyet Alexis Komor volt PhD-kutató vezetett,
sikerült eme első fajtájú bázisszerkesztő kifejlesztése,
amely C-t T-vé és G-t A-vá alakít át
tetszésünk szerinti helyen.
35 000 kórokozó pontmutáció közül
kétféle mutációt képes eme első bázisszerkesztő visszaalakítani,
ez összesen 5 000 kórokozó mutáció, azaz kb. 14%-uk.
A kórokozó pontmutációk zömének kijavításához
a bázisszerkesztők másik fajtáját kell kifejlesztenünk,
amely az A-t G-vé és T-t C-vé képes alakítani.
Nicole Gaudelli volt PhD-kutató vezetésével
hozzáfogtunk e másik fajtájú bázisszerkesztő kifejlesztéséhez,
amely elvileg a kórokozó pontmutációk majdnem felét képes kijavítani,
beleértve a gyors öregedést okozó kór, a progéria mutációját is.
Rájöttünk, hogy utánozhatjuk
a CRISPR-olló célzó mechanizmusát,
hogy az új bázisszerkesztőt a genom kellő helyére juttassuk be.
De hamarosan meglepő nehézséggel találtuk szemben magunkat,
nevezetesen, hogy nincs ismert fehérje,
amely az A-t G-vé vagy a T-t C-vé változtatná
a DNS-ben.
Ilyen komoly buktató láttán
a legtöbb diák nyilván más projekt,
sőt más konzulens után nézne.
(Nevetés)
De Nicole a terv folytatása mellett döntött,
ami abban az időben igencsak nagyralátónak tűnt.
A szükséges vegyi folyamatot végrehajtó
természetes fehérje hiányát tudomásul véve
úgy döntöttünk, hogy laborunkban állítjuk elő a fehérjénket
az A módosítására G-ként viselkedő bázissá.
A vegyi folyamatot RNS-en végrehajtó fehérjével kezdtük.
Az "erősebb túlélése darwini szelekciós rendszert" választottuk,
amely több tucat millió fehérjeváltozatot eredményezett,
és csak azokat a ritka változatokat engedte tovább,
amelyekben túlélésükhöz kellő vegyi folyamat végbement.
Hozzájutottunk az itt látható fehérjéhez,
amely elsőként képes a DNS-ben az A-t
a G-re hasonlító bázissá változtatni.
Amikor ezt a fehérjét hozzákapcsoltuk
a kékkel jelölt kikapcsolt CRISPR-ollóhoz,
azzal létrehoztuk az A-t G-vé alakító
másik fajtájú bázisszerkesztőt.
Az pedig ugyanazt a megvágottszál-technikát alkalmazza,
melyet az első bázisszerkesztő,
hogy kicselezze a sejtet a szerkesztetlen T helyettesítésére C-vel,
a megvágott szál átalakítása révén.
Ezzel megvalósul az A–T bázispár átváltoztatása a G–C bázispárrá.
(Taps)
Köszönöm.
(Taps)
Az USA kutatójaként nem szoktam hozzá,
hogy tapssal szakítsanak félbe.
(Nevetés)
Az első két fajtájú bázisszerkesztőt
csak három éve, illetve másfél éve fejlesztettük ki.
De már e rövid idő alatt is
a bázisszerkesztést széles körben használják orvosbiológiai kutatók.
Több mint hatezerszer küldtünk a világ minden tájára bázisszerkesztőket
több mint 1 000 kutató kérésére.
Már száz tudományos közlemény jelent meg e tárgyban,
amelyek a bázisszerkesztők alkalmazásáról számoltak be
baktériumoktól kezdve növényeken és egereken át főemlősökig.
Noha a bázisszerkesztők még túl újak,
hogy humán klinikai kísérletekben bevezessék őket,
a tudósoknak sikerült fontos lépést tenniük e cél érdekében:
állatokban használtak bázisszerkesztőket
humán genetikai kórokat okozó pontmutációk kijavítására.
Például
a laboromban kutató Luke Koblan
és Jon Levy diákjaim vezette egyik munkacsoport
nemrég vírust használt a másik fajtájú bázisszerkesztő bejuttatásához
progériás egerekbe,
s ezzel a kórokozó T-t C-vé változtatta vissza,
így DNS-, RNS- és fehérjeszinten is elhárította a kór következményeit.
Bázisszerkesztőket alkalmaznak állatokban
tirozinémia, béta-talasszémia, izomsorvadás, fenilketonuria,
veleszületett süketség
és bizonyos szív-érrendszeri betegség következményeinek elhárítására,
minden esetben
közvetlenül kijavítva a betegségokozó
vagy ahhoz hozzájáruló pontmutációkat.
Bázisszerkesztőket alkalmaznak növényekben
egyedi DNS-betűcserékre,
amelyek jobb terméshez vezethetnek.
Biológusok bázisszerkesztőket alkalmaznak egyes betűk szerepének tisztázására
a rákkal és más kórokkal kapcsolatba hozható génekben.
A Beam Therapeutics és Pairwise Plants cégek, melyek társalapítója vagyok,
bázisszerkesztést használnak humán genetikai kórok kezelésére
és a mezőgazdaság fejlesztésére.
Az összes bázisszerkesztési megoldást
legfeljebb három éve alkalmazzák:
ez a tudománytörténeti skálán
szempillantásnyi idő.
További munka vár még ránk
mielőtt a bázisszerkesztés teljesen kifejtené a hatását
a genetikai betegséggel küzdő páciensek életminőségének javításában.
Noha sok ilyen kórt gyógyíthatónak tartunk
a kérdéses mutáció kijavításával,
még sejtek csekély töredéke esetén is
molekuláris gépek, pl. bázisszerkesztők bejuttatása
emberi lények sejtjeibe
komoly kihívás lehet.
Természetes vírusok segítségül hívása bázisszerkesztők bevitelére
náthát okozó molekulák helyett
a számos ígéretes beviteli módszer egyike,
melyet már sikeresen alkalmaznak.
Új molekuláris gépek további fejlesztése,
amelyek egyik bázispárt másik bázispárrá változtatnak,
és a minimumra csökkentik a szükségtelen szerkesztést
a sejt egyéb részein,
igen fontos feladat.
Fontos kötelezettségünk együttműködnünk más tudósokkal, orvosokkal,
etikusokkal és kormányszervekkel,
hogy a bázisszerkesztést a legnagyobb mértékben
megfontoltan, biztonságosan és erkölcsösen alkalmazzuk.
Ha csupán öt éve azt mondták volna,
hogy a világ kutatói
majd laborban fejlesztett molekuláris gépeket használnak
egy-egy bázispár
másik bázispárrá való hatékony,
minimális mellékhatású
közvetlen módosítására
a humán genom bizonyos helyén,
megkérdeztem volna:
"Melyik fantasztikus regényt olvassa?".
Kérlelhetetlenül eltökélt diákcsoportunknak köszönhetően,
amely elég ötletes volt, hogy véghezvigye, amit magunk megtervezhettünk,
és eléggé merész, hogy kifejlessze, amit magunk nem,
a bázisszerkesztés a sci-fi-szerű vágyakozásból
létező valósággá kezdett válni,
amelyben a gyermekeinknek adott legfontosabb ajándék
nemcsak a hárommilliárd betű lehet,
hanem a betűk védelme és kijavítása is.
Köszönöm szépen.
(Taps)
Köszönöm.