GENOM ENGINEERING REVOLUTIONEN - TECHCRUNCH - SOCIALE MEDIER - 2019

Anonim

Ryan Clarke Bidragyder

Flere indlæg af denne bidragyder

  • En tredje lov for biobrændstoffer

James Hyun Bidragyder

Flere indlæg af denne bidragyder

  • En tredje lov for biobrændstoffer

Redaktørens note: Ryan Clarke er en biokemi ph.d.-kandidat med interesse for genteknologi. Han er en offentliggjort videnskabsmand med en baggrund i syntetisk biologi og social analyse. James Hyun er ph.d.-studerende i biovidenskab med baggrund i molekylærbiologi. Han har udgivet talrige videnskabelige artikler, hvor genetisk manipulerede mikroorganismer blev brugt til at fremstille terapeutiske proteiner med høj værdi.

Gennem årene har debatten om etikk inden for genomforskning og applikationer dyrket en følelse af frygt for, at samfund, der er afbildet i film som Gattaca, eller bogen Brave New World,kunne komme til at virke. Selv om disse scenarier virker socialt umulige at udføre, blev de i sidste ende anset for videnskabeligt fjernet, fordi kompleksiteten af ​​sådanne opgaver kræver robuste genomtekniske færdigheder og værktøjer.

Disse diskussioner fremførte tanken om, at lignende situationer ville begynde at blive konfronteret i den "fjerne" fremtid, men den fremtid er nu. Den 22. april 2015 blev det første forsøg på genomingeniør et levende humant embryo offentliggjort i Protein & Cell, og dette forsøg blev muliggjort af det nyligt omtalte CRISPR-cas9-system.

CRISPR-cas9-systemet gør genredigering i mange organismer og celler - som vores eget æg, sæd eller embryo - mere effektivt, tilgængeligt og simpelt end nogensinde før. Disse banebrydende evner har skabt diskussioner om det nye systems etik og anvendelser og har opnået betydelig opmærksomhed rundt om i verden for at sikre etisk korrekt brug.

Denne artikel er en opfølgning på den seneste artikel af Michael Solana om superhumanitet opnås gennem genomeknologi; det forklarer hvad, hvordan og hvorfor systemet er ansvarligt for disse hurtige fremskridt. Endnu vigtigere vil de fremragende medicinske præstationer, der opnås ved hjælp af systemet, samt de realistiske udsigter for germline engineering, kort diskuteres med håb om at lindre forvirring og frygt for status som menneskelig genomteknik.

En kort introduktion til CRISPR-cas9-systemet

Klynget regelmæssigt interspaced korte palindromiske gentagelser (CRISPR) og CRISPR-associeret protein 9 (CRISPR-cas9), har revolutioneret molekylærbiologi og området for genomteknik.

CRISPR-cas9 blev opdaget som et adaptivt immunsystem i bakterier til beskyttelse mod invaderende virus. CRISPR-cas9 blev kreativt set af Jennifer Doudnas gruppe i Berkeley som en måde at målrette mod og redigere et genom. Konsistent forskning og anvendelse har vist, at det menneskelige genom (såvel som planter, mus, bakterier osv.) Kan redigeres billigt, hurtigt og effektivt med CRISPR-cas9-systemet.

I de forkerte hænder kan undskyldningen om at ændre sine gener med det formål at have et sundere liv begås for mange uetiske ændringer.

Princippet om redigering af genomet er stort set det samme på tværs af alle systemer. Et gen af ​​interesse er rettet mod at ændre dets funktion, og et enzym skærer DNA'ets sekvens, der bryder DNA'ets struktur. Efter opskæringen kan et nyt gen indsættes, eller en ændring i den eksisterende sekvens kan fremstilles (via en proces betegnet homolog rekombination), eller en strækning af det genomiske DNA kan slettes.

CRISPR-cas9 ligner andre værktøjer, der anvendes til genomteknik, idet den permanent ændrer en organisms genom, således at hver efterfølgende generation af afkom vil bære forandringen.

For at målrette mod et gen af ​​interesse ved anvendelse af CRISPR-cas9 kræver systemet en fælles, enkel og let syntetiseret DNA-genkendelsesmetode: RNA. RNA og DNA er meget ens i struktur og kemisk sammensætning og binder til hinanden på en stærk, forudsigelig måde. Dette giver mulighed for meget specifik og effektiv målretning til de gen (er) af interesse:

RNA'en er specifik for en sekvens i genomet. Denne specificitet styrer cas9-proteinet til denne målsekvens, hvor cas9's egen nucleaseaktivitet skærer / modificerer DNA'et direkte. Alt der skifter fra et genredigeringsforsøg til det næste er guide RNA-sekvensen.

Alt, hvad der behøves, er cas9-proteinet, som er tilgængeligt på addgene (på plasmider) for ca. $ 65, og en specifik guide RNA til at målrette mod de gen (er) af interesse, som kan bestilles fra IDT for ca. $ 10 pr. Enhed.

CRISPR-cas9s største triumf over de tidligere teknologier er, at flere gener kan redigeres billigt og effektivt i et forsøg. CRISPR-cas9's nylige forgængere, Zinc Finger Nucleases (ZFNs) og TALEN'er krævede komplekse proteiner, der blev konstrueret til at genkende og binde genet af interesse for at redigere - i sidste ende indføre ekstremt høje omkostninger for at kunne bruge systemerne med succes (se tabel nedenfor). Og før alle moderne genomtekniske systemer var målretningsvektorer den mest tilgængelige metode og var afskrækkende ineffektive og begrænsende.

Den reducerede pris og øget brugervenlighed af CRISPR-cas9 er ved at omgå det indtryk, at komplekse genomteknik kræver tilsyneladende uopnåelige ressourcer for de fleste forskere:

Grov pris pr. MålgenMålgyldighedsperiode *Kompleksitetstærskel **Vedtagelse af teknologiMode af DNA-anerkendelseModifikation af DNA-modifikation
Målretningsvektorerjn / a-varierer massivt4-12 uger1-31990'erneVector DNA-homologi til værtsgenetisk DNAVærtscellulære maskiner
Zink Finger Nucleases (ZFNs)$ 4000- $ 70008 ugerMange~ 2000Zink Finger ProteinZink Finger fusioneret til Fok1 nuklease ***
Talens$ 2500 $ 40008 ugerMange~ 2011Transskriptionsaktivator som Effector (TALE) ProteinTALE smeltet til Fok1 nuklease
Cas9$ 50- $ 1002-4 ugerMange~ 2013guide RNAcas9 indre nuclease aktivitet

En sammenligning af fremherskende genomtekniksteknologier. (* Målgodkendelse: Hvor lang tid det tager at sikre korrekt genmålretning. ** Kompleksitetstærskel: Antallet af gener, der sandsynligvis kan målrettes i et forsøg. *** Nuclease: En enzymatisk aktivitet, der er ansvarlig for spaltningen af ​​DNA.)

Da cas9 proteinet og guide RNA'en er mindre og billigere end nogen genome engineering teknologi, der eksisterer, og en guide RNA, der er målrettet mod et gen i et genom, kan hurtigt og nemt fremstilles, er næsten alle modelorganismer og laboratoriecellelinier blevet genetisk modificerede bruger systemet:

Doudna et al., Science 2014

Sammenfattende har cas9s evne til effektivt at modificere og slette flere gener på én gang - med høj specificitet - revolutioneret feltet. Det har bemyndiget forskere rundt om i verden med begrænsede ressourcer til at gennemføre banebrydende forskning. Det har gjort det muligt for molekylærbiologer at modificere humane cellelinier og komplekse modelorganismer med succes, som aber.

Vi kan nu tage genomlægning fra laboratoriebænken til klinikken på en drømmeagtig måde, hvilket gør den medicinske anvendelse af genterapi og teknik mulig med forbløffende hastighed.

Anvendelser af cas9-systemet i den akademiske verden og industrien

Til medicinsk forskning og anvendelse produceres dyremodeller og humane cellelinjer for at efterligne menneskelige sygdomme, der er genetiske i naturen, og cas9-systemet er blevet brugt i mange imponerende forhold til dato for at generere disse modeller og at begynde at kurere sygdomme.

Grupper af forskere i den akademiske verden og bioteknologi / farmaceutisk industri har målrettet mod mange sygdomme, der tidligere havde fået lidt eller intet håb om en kur. Denne skæbne kan dog ændres på grund af cas9. Her er et par eksempler:

  • Hiv kur. De celler, som HIV inficerer (T-celler), er blevet modificeret til ikke at udtrykke receptor (CCR5), som HIV binder til for at infiltrere og inficere vores celler. Disse modificerede celler kan placeres tilbage i blodbanen, hvor de er resistente over for HIV-infektion.
  • Cystisk fibrose. Det genansvarlige (en cellulær ionpumpe, CFTR) til cystisk fibrose er blevet modificeret og fikseret i humane stamceller.
  • Autisme. Gen, der mistænkes for at forårsage autisme (SHANK3) bliver modificeret på embryonalt niveau i aber for at efterligne og studere human autisme.
  • Muskeldystrofi. Genet, der typisk var muteret i muskeldystrofi, dystrophin, blev korrigeret i musekimlinien for at frembringe museblandinger, der var helbredt af sygdommen.
  • Engineered T-celler (CAR T-celler). Vores immunsystems T-celler bliver ændret for at genkende og angribe bestemte kræftformer.
  • Drug Discovery og undersøgelser. Cas9 er blevet brugt til at skabe "genoom wide knock-out skærmbilleder" (skærmbilleder, der knocker ud hvert enkelt gen i genomet, en ad gangen pr. Celle) for at søge gener, som giver resistens over for eksisterende stoffer, som kemoterapier eller at opdage gener, der bidrager til visse sygdomme. Herfra kan nye lægemidler oprettes eller gamle stoffer modificeres ud fra dataene fra skærmen.

Ph.Ds som George Church of Harvard, Feng Zhang af MIT og selvfølgelig sin opdager Jennifer Doudna fra Berkeley, såvel som mange andre er banebrydende forgrunden for teknologien i den akademiske verden.

I industrien har der været mange biotekoptagelser, der er grundlagt i de sidste to år med den hensigt at anvende cas9 teknologi som en platform for at skabe genetiske terapier og stoffer til mange sygdomme.

Skønt oprettelsen af ​​"designer babyer" muligvis er mulig i den nærmeste fremtid, må man undre sig over, om det videnskabelige samfund prioriterer sådanne ansøgninger over medicinske applikationer.

For at nævne nogle få med spændende rørledninger: Editas Medicine (Zhang, Church og Doudna), CRISPR Therapeutics, Intellia Therapeutics og Caribou Biosciences. Disse virksomheder har modtaget støtte fra VC'er, herunder Flagship Ventures og Atlas Ventures. Selv stor pharma, der er berygtet for langsom vedtagelse af den nyeste videnskabelige teknologi, er begyndt at dabble med cas9-systemet ved at deltage i nogle af opstartene eller ved at samarbejde og skabe cas9-specifikke forsknings- og udviklingsvinger.

Denne teknologi synes at have ubegrænsede applikationer til fremme af lægemiddelforskning og oprettelse af nye terapier:

Doudna et al., Science 2014

Med stor magt kommer stort ansvar

Forståeligt, den hurtige brug, optimering og videreudvikling af cas9-teknologien har skabt en stor etisk debat. Med vores nyfundne lethed til at teoretisk modificere ethvert gen i det menneskelige genom på germline-niveauet, har forskere verden over udtrykt bekymringer. Nogle har udtalt, at human germline engineering kan resultere i uønskede konsekvenser og bør simpelthen ikke eksistere. Der er endog truffet foranstaltninger i EU for at forbyde menneskelig kimplanteknik.

I de forkerte hænder kan undskyldningen om at ændre sine gener med det formål at have et sundere liv begås for mange uetiske ændringer. Hvilke gener er kategoriseret som "sunde" kunne potentielt anspore til svarte markedsklinikker, der bruger denne teknologi til at diktere specifikke træk. Sociale præferencer kan skævke den genetiske balance af den menneskelige art.

Når en biologisk teknologi ikke fuldt ud forstås af forskere og offentligheden, eller omhyggeligt diskuteret før større applikation, spilles der et farligt spil.

Skønt oprettelsen af ​​"designer babyer" muligvis er mulig i den nærmeste fremtid, må man undre sig over, om det videnskabelige samfund prioriterer sådanne ansøgninger over medicinske applikationer. De ressourcer og arbejdskraft til succesfuldt at færdiggøre et designer baby engineering projekt ville kræve meget mere end en dygtig genetisk ingeniør og nogle lab plads. For at understøtte denne tankegang rapporterede denne uges førnævnte og seneste publikation succeser og fejl ved anvendelse af cas9 til genom ingeniør et humant embryo.

Denne modige undersøgelse begyndte at lægge rammerne for de hindringer, der skal overvindes for sådanne bestræbelser på at blive husstand i laboratoriet, og de viste sig i sidste ende at have en lang vej at gå på troværdigt embryonteknik. Undersøgelsen afslørede mange off-target-effekter (tilfældig introduktion af mutationer) og lave effektivitetsniveauer for indføring af det korrigerende gen, de brugte.

"Hvis du vil gøre det i normale embryoner, skal du være tæt på 100%, " sagde undersøgelsen af ​​undersøgelsen, Jinjiu Huang. "Derfor stoppede vi. Vi synes stadig, at det er for umodent. "

Derfor bør du aktivt undgå frygt og rygter som designer babyer, så du sikres løbende fremskridt med en så vigtig teknologi. For at hjælpe med at omgå dette, er der en voksende konsensus om, at videnskaben ikke kan gøres, når offentligheden holdes i mørket - at der er behov for at bygge bro over forbindelsen mellem offentligheden og den gennemførte forskning.

En sådan gennemsigtighed og aktiv diskussion vil være afgørende for succesen med applikationerne i cas9, fordi når en bioteknologi ikke fuldt ud forstås af videnskabsmænd og offentligheden, eller omhyggeligt drøftet inden større ansøgning, spilles der et farligt spil.

Globalt engagement vil hjælpe os med at undgå en anden genetisk modificeret fødevare (GMO) situation, der stammer fra forskning og industri aktivitet bag lukkede døre, hvilket i sidste ende fører til en global nebulous forståelse af GMO'er generelt.

Heldigvis blev en nylig konference for at diskutere cas9's ansøgninger i genmodifikation af germline afholdt i Napa Valley ledet af Jennifer Doudna.

"På baggrund af den hastighed, som genometeknologiområdet udvikler sig, konkluderede Napa-mødet, at der er et presserende behov for åben diskussion af fordele og risici ved menneskelig genommodifikation ved hjælp af en bred kohorte af forskere, klinikere, samfundsvidenskabere, offentligheden, og relevante offentlige enheder og interessegrupper, "udtalte forfatterne af artiklen, der opsummerede konferencen.

Konferencen ser ud til at have indledt den ønskede gennemsigtighed og globale engagement, og gruppen afsluttede sin diskussionsartikel med et par forslag:

  1. Undgå human germline genomteknik til klinisk anvendelse.
  2. Opret fora, hvor eksperter fra de videnskabelige og bioetiske samfund kan give information og uddannelse om denne nye æra af humanbiologi.
  3. Opmuntre og støtte gennemsigtig forskning for at evaluere effektiviteten og specificiteten af ​​CRISPR-Cas9 genomtekniksteknologi i humane og ikke-menneskelige modelsystemer, der er relevante for dets potentielle anvendelser til germline-genterapi.
  4. Konvene en globalt repræsenteret gruppe af udviklere og brugere af genomtekniksteknologi og eksperter inden for genetik, lov og bioethik samt medlemmer af det videnskabelige samfund, offentligheden og offentlige myndigheder for yderligere at overveje disse spørgsmål og placere passende politikker.

Den kendsgerning, at en stærk og vellykket diskussion om applikationer af cas9 er blevet afholdt, er et vigtigt fremskridt inden for genomteknik og dets applikationer. For at skabe gennembrud er der en vis risiko involveret, men så længe både forskere og offentligheder forstår risiciene og deler et fælles formål, kan vi fortsætte med at forbedre og bruge denne teknologi til forbedring af menneskeheden og for at redde liv .