Gyógyíthatunk-e genetikai betegségeket a DNS átírásával?

Az egyik tudományos fölfedezésről szóló történetben David R. Liu vegyész-biológus jelentős áttörésről ad hírt: a laborjában végzett bázisszerkesztők fejlesztéséről, amelyek képesek DNS átírására. A genomszerkesztésnek e sorsdöntő lépése a CRISPR kínálta ígéreteket új szintre emelte: ha a CRISPR-fehérjék molekuláris ollók, amelyek meghatározott DNS-szekvenciák kivágására programozhatók, akkor a bázisszerkesztők ceruzák, amelyek képesek közvetlenül átírni egy-egy DNS-betűt egy másikba. Tudjunk meg többet arról, hogyan működnek e molekuláris gépek, és milyen lehetőségeik vannak genetikus betegségek kezelésére, sőt gyógyítására.

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.