Představme si román o milionu stránek, ve kterém tiskařský šotek v jednom jediném místě zaměnil písmenka, a celou knihu tak znehodnotil. Ve stejné situaci se ocitají lidé, v jejichž dědičné informaci o více než třech miliardách písmen genetického kódu se vyskytuje takzvaná bodová mutace – místo, kde došlo v DNA k „překlepu“ a kde se nachází jedno chybné písmeno genetického kódu.
Bodové mutace mají na svědomí řadu závažných dědičných chorob, například cystickou fibrózu postihující plíce i trávicí trakt, ale i mnohé nádory. Pro jejich léčbu se zdá nejlogičtější „oprava překlepu“, tedy náhrada „vadného“ písmene genetického kódu za písmeno, které na dané místo dědičné informace patří. K tomu však genetici neměli vhodné nástroje. Nedovoloval jim to ani revoluční vynález techniky obvykle označované zkratkou CRISPR-Cas9.
Převratný nástroj
Nástroj CRISPR-Cas9 se skládá ze dvou „součástek“. Jednu tvoří krátký řetězec ribonukleové kyseliny (zkráceně RNA), který dokáže vyhledat mezi třemi miliardami písmen genetického kódu přesně vybrané místo. K „vyhledávacímu“ řetězci RNA je připojena bílkovinná molekula enzymu Cas9. Ten pracuje jako molekulární nůžky a přestřihne dvojitou šroubovici DNA na místě vyhledaném naváděcí RNA. Buňka začne poškozené místo DNA okamžitě opravovat. Většinou přitom udělá chybu. To má za následek, že přestřižený a chybně opravený gen přestane fungovat.
Vědci dále pokročili v opravě genetického kóduDokážou v něm změnit kterékoli písmeno. „Písmena“ genetického kódu: Genetický kód (genom) je podobný kódu počítačovému. Místo nul a jedniček jej však tvoří čtyři nepravidelně se opakující chemické báze v DNA čili v deoxyribonukleové kyselině v jádru každé buňky. V pořadí bází jsou zakódovány dědičné vlastnosti všech živých tvorů, včetně člověka. Těmito bázemi (písmeny) jsou: * adenin (A) * thymin (T) * guanin (G) * cytosin (C) Báze jsou vždy párově propojeny na dvou vláknech DNA s tím, že guanin se pokaždé váže s cytosinem a adenin vždycky s thyminem (G–C, A–T). Nový postup změny DNA je založen na tom, že vědci dokážou změnit přesně určený cytosin v thymin anebo adenin v guanin. Tím vyvolají další opravu, při níž se druhá – propojená – báze rovněž změní. |
V tomto provedení se technika hodí pro cílené vyřazování genů z činnosti. Když vědci dodají pro opravu přestřiženého místa ještě krátký řetězec DNA, opraví buňka díru ve své dědičné informaci podle této předlohy. Tak je možné vnášet do dědičné informace zcela nové geny.
Metoda CRISPR-Cas9 se ujala jako velmi účinný nástroj pro genetické modifikace mikrobů, rostlin i živočichů. Začíná se používat i pro léčbu závažných onemocnění včetně rakoviny. Pro záměnu úseku DNA s bodovou mutací za úsek se správným písmenem genetického kódu se ale moc nehodí. Tento úkol plní s nízkou účinností a navíc napáchá v DNA řadu nežádoucích změn mimo cílové místo.
Jak přepsat písmeno
Dědičná informace je zapsána čtyřmi písmeny genetického kódu – adeninem (A), thyminem (T), guaninem (G) a cytosinem (C). Ve dvojité šroubovici DNA proti sobě vždy stojí A a T nebo G a C. Už vloni přepsal tým pod vedením harvardského chemika Davida Liua v DNA písmeno C na T. Vědci k tomu využili modifikovaný CRISPR-Cas9.
Krátký řetězec RNA vyhledá místo pro korekci. K řetězci RNA připojená pozměněná molekula enzymatických nůžek Cas9 nepřestřihne dvojitou šroubovici DNA, ale pouze ji ve vybraném místě „rozplete“. Tím se řetězce DNA zpřístupní „přepisovacímu“ enzymu napojenému na „tupé nůžky“. Přepisovací enzym si vezme do práce přesně určený cytosin a chemickými reakcemi ho změní v thymin. V té chvíli má nově vzniklé T na druhém řetězci DNA za partnera písmeno G. Další nastartovanou opravou si proto buňka vymění toto G za A, a získá tak žádoucí pár T–A.
Oprava písmene A na G vázla, protože z přírody neznáme enzym, který by zvládl chemické reakce potřebné k takové proměně písmen genetického kódu. David Liu ho vyrobil v laboratoři modifikací enzymu obyčejné střevní bakterie.
„Klobouk dolů,“ složil mu za mistrovský kousek poklonu harvardský kolega George Church.
Liu zveřejnil návod na přepisování adeninu na guanin v předním vědeckém časopise Nature. Zároveň vyšla v časopise Science studie amerického týmu vedeného Feng Zhangem zBroad Institute, která dokazuje, že písmena genetického kódu lze přepisovat i v dlouhých molekulách kyseliny ribonukleové, podle které si buňky vyrábějí bílkoviny.
Pokud je v buňce bodová mutace, přenáší se chyba i do „výrobního výkresu“ molekul RNA, následně podle ní vzniká i „zmetková“ bílkovina a propuká dědičná choroba. Studie Zhangova týmu ukazuje, že při korekci bodové mutace nemusíme zasahovat vždy do „základní projektové dokumentace“ uložené v DNA. Korekce lze provádět až ve „výrobních výkresech“ molekul RNA, a dosáhnout tak stejného efektu, jako při zásahu do dědičné informace.
Šance na zlepšení
Oprava defektů v dědičné informaci čili genová terapie dlouho využívala relativně jednoduché postupy. Náhrada nefunkčního genu probíhá tak, jako kdybychom přijeli do servisu s autem, kterému nesvítí reflektor, a automechanik neopravil vadné světlo, ale namontoval nový reflektor na střechu. Nový gen se vměstná na náhodné místo dědičné informace, a tím zajistí nápravu.
V organismu se začne produkovat bílkovina, které v důsledku dědičného defektu nepracovala. Nejednou stačí k odeznění příznaků těžké dědičné choroby jen částečná obnova produkce nedostatkové bílkoviny. Lékaři proto odeberou buňky z pacientova těla, podrobí je v laboratoři korekci dědičného defektu a „opravené“ buňky nemocnému zase vrátí. Instrukce potřebné pro korekci často vnášejí do buněk viry upravené genovými inženýry. Při léčbě rakoviny se zasahuje přímo do DNA nádorů, a zvyšuje se tak třeba jejich citlivost k lékům.
Náhodné zabudování léčebného genu může mít nežádoucí vedlejší účinky. V roce 2000 vyléčili francouzští lékaři genovou terapií takzvané bublinové děti, které měly v důsledku poškozeného genu nefunkční imunitní systém. Léčebný gen zabudovaný na špatném místě dědičné informace vyvolal u tří z dvaceti léčených dětí leukémii. Jedno na nemoc zemřelo. Přepis vadných písmen genetického kódu by měl podobným neštěstím předejít. Zatím ale není jasné, kdy přijde ke slovu.
„Usilovně na tom pracujeme, ale máme před sebou ještě řadu těžkých úkolů,“ přiznává David Liu.¨
