GENOMTEKNIKREVOLUTIONEN - TECHCRUNCH - SOCIALA MEDIA - 2019

Anonim

Ryan Clarke Inlägg

Fler inlägg av den här bidragsgivaren

  • En tredje lag för biobränslen

James Hyun Bidragsgivare

Fler inlägg av den här bidragsgivaren

  • En tredje lag för biobränslen

Redaktörens anteckning: Ryan Clarke är biokemi doktorand med intresse för genteknik. Han är en publicerad forskare med bakgrund i syntetisk biologi och social analys. James Hyun är doktorand i biovetenskap med bakgrund i molekylärbiologi. Han har publicerat ett flertal vetenskapliga artiklar där genetiskt manipulerade mikroorganismer användes för att producera terapeutiska proteiner med högt värde.

Under åren har debatten om etikk inom genomforskning och tillämpningar odlat en känsla av rädsla att samhällen som skildras i filmer som Gattaca, eller boken Brave New World,skulle kunna komma till nytta. Även om dessa scenarier verkar socialt omöjliga att genomföra, ansågs de i slutändan vara vetenskapligt fördrivna eftersom komplexiteten hos sådana uppgifter kräver robusta genomkompetensförmåga och verktyg.

Dessa diskussioner presenterade tanken att liknande situationer skulle börja konfronteras i den "avlägsna" framtiden, men den framtiden är nu. Den 22 april 2015 publicerades det första försöket att genomföra ett levande mänskligt embryo i Protein & Cell, och detta försök gjordes av det nyligen omfattade CRISPR-cas9-systemet.

CRISPR-cas9-systemet gör genredigering i många organismer och celler - som vårt eget ägg, sperma eller embryo - effektivare, lättare och lättare än någonsin tidigare. Dessa banbrytande möjligheter har gett diskussioner kring det nya systemets etik och tillämpningar och har fått stor uppmärksamhet runt om i världen för att säkerställa etiskt korrekt bruk.

Denna artikel är en uppföljning av den senaste artikeln av Michael Solana om superhumanitet som uppnås genom genomekonstruktion; Det förklarar vad, hur och varför systemet är ansvarigt för dessa snabba framsteg. Ännu viktigare är att de enastående medicinska prestationer som uppnåtts med hjälp av systemet, liksom de realistiska utsikterna för germline engineering, kommer att diskuteras kortfattat med hoppet att lindra förvirring och rädsla för statusen för human genomteknik.

En kort introduktion till CRISPR-cas9-systemet

Clustered regelbundet interspaced korta palindroma upprepningar (CRISPR) och CRISPR-associerat protein 9 (CRISPR-cas9), har revolutionerat molekylärbiologi och genomeknikområdet.

Upptäckt som ett adaptivt immunsystem i bakterier för skydd mot bakterier som invaderar virus, var CRISPR-cas9 kreativt sett av Jennifer Doudnas grupp vid Berkeley som ett sätt att rikta och redigera ett genom. Konsekvent forskning och tillämpning har visat att det mänskliga genomet (såväl som växter, möss, bakterier etc.) kan redigeras billigt, snabbt och effektivt med CRISPR-cas9-systemet.

I fela händer kan ursäkt för att ändra sina gener i syfte att ha ett hälsosammare liv begås för många oetiska förändringar.

Förslaget att redigera genomet är i princip detsamma över alla system. En gen av intresse är inriktad på att ändra dess funktion, och ett enzym skär den genens DNA-sekvens, bryter DNA-strukturen. Efter det att skärningen har skett kan en ny gen införas eller en förändring av den befintliga sekvensen kan göras (via en process benämnd homolog rekombination) eller en sträckning av det genomiska DNAet kan raderas.

CRISPR-cas9 liknar andra verktyg som används för genomteknik genom att det permanent modifierar ett organismer genom, så att varje efterföljande generation av avkommor kommer att bära förändringen.

För att rikta en gen av intresse med användning av CRISPR-cas9 kräver systemet ett gemensamt, enkelt och lätt syntetiserat DNA-igenkänningssätt: RNA. RNA och DNA är mycket lika i struktur och kemisk sammansättning och binder till varandra på ett starkt, förutsägbart sätt. Detta möjliggör mycket specifik och effektiv inriktning mot genen / genarna av intresse:

RNA-RNA är specifik för en sekvens i genomet. Denna specificitet leder cas9-proteinet till denna målsekvens, där cas9s inneboende nukleasaktivitet skär / modifierar DNA direkt. Allt som ändras från ett genredigeringsförsök till nästa är guide-RNA-sekvensen.

Allt som behövs är cas9-proteinet, som finns tillgängligt på addgen (på plasmider) för ungefär $ 65, och en specifik guide-RNA som riktar sig mot genen / intressen, som kan beställas från IDT för ungefär $ 10 per enhet.

CRISPR-cas9s stora triumf över den tidigare tekniken är att flera gener kan redigeras billigt och effektivt i ett försök. CRISPR-cas9s senaste föregångare, Zink Finger Nucleases (ZFNs) och TALENs, krävde komplexa proteiner som skulle konstrueras för att känna igen och binda genen av intresse för att redigera - slutligen introducera extremt höga kostnader för att framgångsrikt kunna använda systemen (se tabellen nedan). Och före alla moderna genomekniska system var målsektorerna den mest tillgängliga metoden och motverkande ineffektiva och begränsande.

Det minskade priset och ökad användbarhet hos CRISPR-cas9 presenterar omväxlingen av att komplex genomkomposition kräver till synes ouppnåeliga resurser för de flesta forskare:

Grov kostnad per målgenMålgiltighetstid *Komplexitetströskel **Antagande av teknikMode för DNA-erkännandeModem av DNA-modifiering
Riktningsvektorerjn / a-varierar kraftigt4-12 veckor1-31990Vektor DNA-homologi för att värma genomiskt DNAVärdarcellmaskiner
Zink Finger Nucleases (ZFNs)$ 4000 $ 70008 veckorFlera olika~ 2000ZinkfingerproteinZink Finger smält till Fok1 nukleas ***
Talens$ 2500 $ 40008 veckorFlera olika~ 2011Transkriptionsaktivator som Effector (TALE) ProteinTALE smält till Fok1 nukleas
Cas9$ 50- $ 1002-4 veckorFlera olika~ 2013vägleda RNAcas9 inneboende nukleasaktivitet

En jämförelse av utbredd genotekniksteknik. (* Målvalidering: hur lång tid det tar för att säkerställa korrekt geninriktning. ** Komplexitetsgräns: antalet gener som sannolikt kan riktas in i ett försök. *** Nukleas: En enzymatisk aktivitet som är ansvarig för DNA-klyvning.)

Eftersom cas9-proteinet och guide-RNA är mindre och billigare än någon genomteknik som existerar, och en guide-RNA som riktar sig mot någon gen i ett genom kan snabbt och enkelt framställas, har nästan alla modellorganismer och laboratoriecellinjer genetiskt modifierats använder systemet:

Doudna et al., Science 2014

Sammanfattningsvis har cas9s förmåga att effektivt modifiera och radera flera gener på en gång - med hög specificitet - revolutionerat fältet. Det har befogenhet forskare runt om i världen med begränsade resurser för att genomföra banbrytande forskning. Det har gjort det möjligt för molekylärbiologer att framgångsrikt modifiera humana cellinjer och komplexa modellorganismer, som apor.

Vi kan nu genomgå genomkonstruktion från labbänken till kliniken på ett drömliknande sätt, vilket gör den medicinska tillämpningen av genterapi och teknik möjlig med enastående hastighet.

Applikationer av cas9-systemet i akademien och industrin

För medicinsk forskning och användning genereras djurmodeller och humana cellinjer för att emulera mänskliga sjukdomar som är genetiska i naturen, och cas9-systemet har använts i många imponerande förhållanden hittills för att generera dessa modeller och att börja bota sjukdomar.

Forskargrupper i akademi och bioteknik / läkemedelsindustrin har riktat många sjukdomar som tidigare visat litet eller inget hopp om botemedel. Dock kan denna öde ändras på grund av cas9. Här är några exempel:

  • HIV-behandling. De celler som HIV infekterar (T-celler) har modifierats för att inte uttrycka receptorn (CCR5) som HIV binder till för att infiltrera och infektera våra celler. Dessa modifierade celler kan placeras tillbaka i blodomloppet där de är resistenta mot HIV-infektion.
  • Cystisk fibros. Den gen som är ansvarig (en cellulär jonpump, CFTR) för cystisk fibros har modifierats och fixerats i humana stamceller.
  • Autism. Gen som misstänks för att orsaka autism (SHANK3) modifieras på embryonisk nivå i apor för att emulera och studera human autism.
  • Muskeldystrofi. Genen som typiskt muterades i muskeldystrofi, dystrofin, korrigerades i muskroppslinjen för att producera avkommor som härdades av sjukdomen.
  • Utvecklade T-celler (CAR T-celler). Vårt immunsystems T-celler modifieras för att känna igen och attackera specifika cancertyper.
  • Drug Discovery och studier. Cas9 har använts för att skapa "genoms breda utslagningsskärmar" (skärmar som slår ut varje gen i genomet, en i taget per cell) för att söka efter gener som ger resistens mot befintliga droger, som kemoterapier, eller att upptäcka gener som bidrar till vissa sjukdomar. Härifrån kan nya droger skapas eller gamla droger ändras baserat på data som tillhandahålls av skärmen.

Ph.Ds som George Church of Harvard, Feng Zhang of MIT och naturligtvis sin upptäckare Jennifer Doudna i Berkeley, liksom många andra är banbrytande i framkant av tekniken i akademin.

I industrin har det skett många bioteknikstart som grundats under de senaste två åren med avsikt att använda cas9-teknik som en plattform för att skapa genetiska terapier och droger för många sjukdomar.

Även om skapandet av "designer babyer" kan vara möjligt inom en snar framtid, måste man undra om det vetenskapliga samfundet skulle prioritera sådana applikationer över medicinska tillämpningar.

För att nämna några med spännande pipelines: Editas Medicine (Zhang, Church, and Doudna), CRISPR Therapeutics, Intellia Therapeutics och Caribou Biosciences. Dessa företag har fått stöd från VC, inklusive Flagship Ventures och Atlas Ventures. Även stor pharma, som är berömd för långsam adoption av den senaste vetenskapliga tekniken, har börjat dabble med cas9-systemet genom att samarbeta med några av startarna eller genom att samarbeta och skapa cas9-specifika FoU-vingar.

Denna teknik verkar ha obegränsade tillämpningar för att främja medicinsk forskning och skapande av nya terapier:

Doudna et al., Science 2014

Med stor kraft kommer stort ansvar

Förståligt, den snabba användningen, optimeringen och vidareutvecklingen av cas9-tekniken har skapat en hel del etisk debatt. Med vår nyfunna lätthet att teoretiskt ändra någon gen i det humana genomet på germline-nivån har forskare runt om i världen uttryckt bekymmer. Vissa har påstått att mänsklig kimplanteknik kan leda till oönskade konsekvenser och borde helt enkelt inte existera. Åtgärder har även vidtagits i EU för att förbjuda mänsklig kimplantering.

I fela händer kan ursäkt för att ändra sina gener i syfte att ha ett hälsosammare liv begås för många oetiska förändringar. Vilka gener som kategoriseras som "hälsosamma" kan potentiellt anspåa svartmarknadskliniker som använder denna teknik för att diktera specifika egenskaper. Sociala preferenser kan skingra människans genetiska balans.

När en biologisk teknik inte fullt ut förstås av forskare och allmänheten, eller diskuteras omfattande före större ansökan, spelas ett farligt spel.

Även om skapandet av "designer babyer" kan vara möjligt inom en snar framtid, måste man undra om det vetenskapliga samfundet skulle prioritera sådana applikationer över medicinska tillämpningar. Resurserna och arbetskraften för att framgångsrikt fullfölja ett designerbearbetningsprojekt skulle kräva mycket mer än en skicklig genetisk ingenjör och lite labutrymme. För att stödja denna tanke rapporterade den här veckans ovannämnda och nyligen publicerade framgångar och misslyckanden när man använde cas9 till genom ingenjör ett mänskligt embryo.

Den här djärva studien började skapa ramarna för de hinder som måste övervinnas för sådana ansträngningar att bli hushåll i labbet, och de visade sig i slutändan ha en lång väg att gå för pålitlig embryoteknik. Studien avslöjade många off-target-effekter (slumpmässig introduktion av mutationer) och låga effektivitetsnivåer för införande av den korrigeringsgen som de använde.

"Om du vill göra det i vanliga embryon, måste du vara nära 100%", sade den ledande utredaren av studien Jinjiu Huang. "Det var därför vi slutade. Vi tycker fortfarande att det är för omåttligt. "

Därför bör aktivt undvikande av rädslor och rykten som designerbarn säkerställa kontinuerlig utveckling av en sådan viktig teknik. För att bidra till att kringgå detta finns det ett växande samförstånd att vetenskap inte kan ske med att allmänheten hålls i mörkret - att det finns ett behov av att bryta kopplingen mellan allmänheten och den undersökta forskningen.

En sådan öppenhet och aktiv diskussion kommer att vara avgörande för framgångarna för tillämpningarna av cas9, eftersom en biologisk teknik inte fullt ut förstås av vetenskapsmän och allmänheten, eller diskuteras grundligt före större ansökan, spelas ett farligt spel.

Globalt engagemang kommer att hjälpa oss att undvika en annan genetiskt modifierad livsmedelssituation (GMO), som härrörde från forskning och industriaktivitet bakom stängda dörrar, vilket slutligen leder till en global nebulous förståelse av genetiskt modifierade organismer i allmänhet.

Lyckligtvis hölls en ny konferens för att diskutera cas9s ansökningar i genmodifieringen av germline i Napa Valley ledd av Jennifer Doudna.

"Med tanke på hur snabbt genomsektorn utvecklas har Napa-mötet dragit slutsatsen att det finns ett brådskande behov av öppen diskussion om fördelarna och riskerna med mänskligt genom modifiering genom en bred kohort av forskare, kliniker, samhällsvetenskapare, allmänheten, och relevanta offentliga enheter och intressegrupper ", uppgav författarna till artikeln som sammanfattade konferensen.

Konferensen verkar ha initierat den önskade insynen och det globala engagemanget, och gruppen avslutade sin diskussionsartikel med några förslag:

  1. Undvik human germline genomteknik för klinisk tillämpning.
  2. Skapa forum där experter från de vetenskapliga och bioetiska samhällena kan ge information och utbildning om denna nya era av mänsklig biologi.
  3. Uppmuntra och stödja genomskinlig forskning för att utvärdera effektiviteten och specificiteten av CRISPR-Cas9 genomtekniksteknik i humana och icke-humana modellsystem som är relevanta för dess potentiella tillämpningar för germline genterapi.
  4. Konvene en globalt representativ grupp av utvecklare och användare av genomtekniksteknik, samt experter inom genetik, lag och bioetik samt medlemmar i det vetenskapliga samfundet, offentliga och offentliga myndigheter för att ytterligare överväga dessa frågor och ange lämpliga policyer.

Det faktum att en kraftfull och framgångsrik diskussion om applikationer av cas9 har hållits är ett viktigt framsteg för genomeknik och dess tillämpningar. För att skapa genombrott är det en viss risk, men så länge som både forskare och allmänhet förstår riskerna och delar en gemensam mål kan vi fortsätta att förbättra och använda denna teknik för att förbättra människans ras och för att rädda liv .