Războiul bacteriilor împotriva virușilor, ADN-ului și medicina viitorului

Cercetătorii au luat celule imune din sângele unui pacient cu cancer pulmonar metastazat și au dezactivat gena proteinei PD-1 din ele, care suprimă sistemul imunitar și îl împiedică să atace țesutul tumoral. Celulele imune „editate” au fost multiplicate în laborator și returnate în corpul pacientului.

Oamenii de știință nu au dezvăluit încă rezultatele studiului, dar se știe că intenționează să repete procedura la acest pacient și, dacă se dovedește a avea succes, să continue studiile clinice pe alte persoane.

oamenii de știință au putut edita gene înainte. Dar odată cu apariția tehnologiei CRISPR-CAS9, s-a întâmplat o adevărată descoperire în inginerie genetică. Totul a început cu faptul că în secolul trecut, bacteriile au găsit gene foarte ciudate.

O descoperire subestimată acum 30 de ani

În 1987, în timp ce studiau genomul E. coli – o bacterie care trăiește în intestinele oricărei persoane – oamenii de știință japonezi conduși de Yoshizumi Isino au descoperit ceva ciudat.

Atenția cercetătorilor a fost atrasă de exact aceleași secțiuni de ADN care s-au repetat de multe ori, dar între ele au existat secțiuni unice, care nu se repetă. De ce bacteriile au nevoie de astfel de gene, oamenii de știință nu au înțeles și nu au acordat prea multă importanță descoperirii.

Secvențele misterioase care se repetă au fost descoperite din nou în 1993 – de data aceasta de către cercetătorii olandezi în timp ce studiau ADN-ul agentului cauzal al tuberculozei. Funcțiile acestor gene au rămas din nou neclare, dar descoperirea a ajutat la crearea unei noi metode pentru determinarea tulpinii bacteriilor tuberculoase – spoligotiparea. Este folosit până în ziua de azi.

Până în 2000, s-au găsit repetări similare în ADN la 20 de specii de bacterii. Oamenii de știință au sugerat că, deoarece astfel de gene sunt prezente în diferite microorganisme, ele aparent îndeplinesc funcții importante. În 2002, regiunile repetitive din ADN au primit un „nume” oficial – CRISPR.

În 2005, trei studii au arătat simultan că genele unice, închise între secvențe repetate, sunt de fapt „străine” pentru bacterii. Acestea sunt „trofee” obținute din viruși care au încercat să atace celula bacteriană mai devreme. Ele sunt necesare pentru ca microorganismul să poată recunoaște și distruge materialul genetic neprietenos la invazie repetată. Oamenii de știință au devenit clar că CRISPR este într-un fel un analog al sistemului imunitar uman.

Cum funcționează

Secvențele CRISPR sunt depozite care conțin fragmente de gene străine. „Baza de date” este actualizată periodic cu informații despre noi viruși și scapă de fragmentele de ADN inutile, „învechite”. În timpul reproducerii, toate CRISPR ale bacteriei părinte sunt transmise fiecărui descendent. Fiecare celulă fiică „își amintește” cu ce pericole s-a confruntat predecesorul său și este gata să riposteze.

Informațiile din genele virale situate între secvențele care se repetă sunt transferate pe lanțuri scurte de ARN. După ce a găsit un virus „familiar”, ARN-ul se conectează imediat la secțiunea corespunzătoare a ADN-ului său și activează o enzimă specială care reduce gena dăunătorului la jumătate. Imediat sunt implicate și alte enzime, drept urmare, coarnele și picioarele rămân din virus.

Dar virușii sunt și ei în alertă. Ei își folosesc capacitatea de a muta rapid pentru a scăpa de genele care se află în „baza de date” CRISPR pentru a nu fi recunoscuți. Ca răspuns, bacteriile pot copia diferite părți ale ADN-ului aceluiași virus. Dacă virusul scapă de un „semn special”, bacteria îl va putea detecta de către alții.

Bacteriile folosesc sistemul CRISPR nu numai pentru protecție, ci ajută la reglarea activității genelor, a relațiilor de vecinătate între microorganismele dintr-o colonie, determină infecțiozitatea bacteriilor patogene și este responsabilă pentru repararea ADN-ului deteriorat.

Când cercetătorii au descoperit toate complexitățile procesului, s-au gândit: de ce să nu folosească aceleași mecanisme pentru a „taia” ADN-ul în celulele vegetale, animale și umane?

Reparați genele pentru unu-doi-trei

Oamenii de știință care sunt angajați în inginerie genetică au reușit de multă vreme să „tăie” genele. Dar aceste tehnologii clasice sunt prea complexe, consumatoare de timp și costisitoare – în plus, eficiența lor lasă mult de dorit.

Sistemul de editare a genelor bazat pe secvențele CRISPR a fost numit CRISPR-Cas9 – a doua parte a acestuia provine de la numele enzimei care taie ADN-ul – Cas. Metoda sa dovedit a fi ieftină, precisă și fiabilă, probabilitatea de erori în aplicarea sa este aproape zero.

Folosind CRISPR-Cas9, puteți „decupa” o mutație nedorită din ADN sau puteți introduce gene care vor da corpului trăsături noi.

Enzima Cas poate fi inactivată și apoi se va atașa pur și simplu la secțiunea de ADN dorită fără a o tăia. Datorită acestui fapt, cu ajutorul lui Cas, semnele pot fi „cusute” la ADN, substanțe care sporesc sau suprimă activitatea unei anumite gene provocând alte efecte.

Ce boli pot fi tratate cu CRISPR-Cas9

Ingineria genetică are un potențial imens în tratarea unei game largi de boli, inclusiv cele severe și cele care sunt considerate incurabile astăzi. Oamenii de știință visau de mult timp să trateze boli la nivel de gene, iar CRISPR-Cas9 ar ajuta la un pas uriaș în această direcție.

Sistemul poate fi utilizat în tratamentul infecției cu HIV, bolilor cardiovasculare, autoimune, oncologice, patologiilor ereditare (anemia falciforme, sindromul Down).

La sfârșitul anului 2013, oamenii de știință au raportat că au reușit să editeze genomul folosind CRISPR-Cas9 în celulele stem de la o persoană cu fibroză chistică, o boală moștenită care provoacă leziuni severe plămânilor și sistemului digestiv.

În noiembrie 2016, experții europeni au studiat combinații de gene care duc la cancer la ficat folosind CRISPR-Cas9.

În decembrie 2016, rezultatele unui studiu au fost publicate în Jurnalul Internațional de Biochimie și Biologie celulară, în timpul căruia oamenii de știință au reușit să editeze gene și să „oprească” o enzimă care este implicată în dezvoltarea diabetului.

Sistemul CRISPR-Cas9 face posibilă utilizarea mai eficientă a tuturor posibilităților ingineriei genetice în medicină: studierea mutațiilor din culturile celulare care contribuie la apariția și progresia cancerului, crearea de noi medicamente, distrugerea agenților infecțioși prin „tăiându-le” ADN-ul, la fel cum fac bacteriile înseși .

Care este semnificația studiului clinic actual al oamenilor de știință chinezi? Dezvoltarea ulterioară a tehnologiei CRISPR-Cas9 depinde de cât de înaltă eficiență și siguranță va arăta la primii pacienți.

Un studiu clinic este planificat la începutul lui 2017 la Universitatea din Peking, în timpul căruia oamenii de știință vor edita genele pacienților cu cancer de vezică urinară, rinichi și prostată. Oamenii de știință americani plănuiesc să țină pasul cu colegii din Asia. În lumea științifică, ei cred că competiția dintre cele două țări nu va face decât să accelereze ritmul dezvoltării tehnologiei și să contribuie la obținerea unor rezultate mai impresionante.