Technologie, která umožňuje přesně upravovat DNA živých organismů, přinesla v roce 2020 Nobelovu cenu a v roce 2023 první schválený lék. Co CRISPR je, jak funguje a kam míří?

CRISPR-Cas9 – revoluce v úpravě genomu

CRISPR je zkratka pro "Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats", což jsou segmenty nahromaděných pravidelně rozmístěných krátkých palindromických repetic. Název popisuje struktury v bakteriální DNA, z nichž byl celý systém odvozen.

Začněme od začátku: co je DNA?

Aby bylo možné pochopit, co CRISPR dělá, je dobré nejprve si říci, co je DNA. DNA neboli deoxyribonukleová kyselina je dlouhé dvojité vlákno molekul stočené do dvojité šroubovice, které se nachází v jádru téměř každé buňky v těle. DNA obsahuje kompletní stavební návod pro celý organismus – tzv. genom. Tento návod je zapsán pomocí čtyř chemických "písmen" (bází: adenin, thymin, cytosin a guanin), jejichž pořadí v řetězci tvoří geny, neboli instrukce pro výrobu konkrétních bílkovin a řízení životních procesů buňky.

Lidský genom obsahuje přibližně 3 miliardy těchto písmen a asi 20 000 genů. Chyba v jediném písmenu – mutace – může způsobit vážné dědičné onemocnění. Právě zde vstupuje do hry CRISPR: technologie, která dokáže tuto chybu najít a opravit.

• 3 mld. písmen (bází) v lidském genomu
• ~20 000 genů v lidském těle
• 1 písmeno stačí ke vzniku vážného dědičného onemocnění

Odkud CRISPR pochází? Z bakteriální imunity

Příběh CRISPR nezačal v laboratoři zaměřené na léčbu lidských nemocí, ale u bakterií. Vědci si všimli, že bakterie mají svůj vlastní primitivní imunitní systém: když je napadne virus, jsou schopny rozpoznat jeho DNA, rozstříhat ji a zneškodnit útočníka. Ještě důležitější je, že si bakterie části virové DNA "zapamatují" a uloží je do svého genomu jako jakési genetické záznamy o minulých infekcích.

Právě tyto paměťové sekvence se nazývají CRISPR. Klíčovým enzymem celého systému je bílkovina Cas9 — protein fungující jako molekulární nůžky, který virovou DNA přesně přestřihne. Vědkyně Jennifer Doudna a Emmanuelle Charpentier v roce 2012 prokázaly, že tento bakteriální obranný mechanismus lze "ochočit" a naprogramovat tak, aby přestřihoval libovolnou DNA sekvenci, a to nejen virovou. Za tento objev získaly v roce 2020 Nobelovu cenu za chemii.

Vědci vlastně CRISPR nevymysleli — našli ho v přírodě a ochočili ho. — Populárně vědecké shrnutí principu CRISPR

Jak CRISPR funguje krok za krokem?

Systém CRISPR-Cas9 se skládá ze dvou základních součástí: vodicí RNA (gRNA) a enzymu Cas9. Jejich spolupráci si lze představit jako GPS navigaci a fyzický řezný nástroj – navigace určí přesné místo, nástroj provede zásah.

1. Návrh vodicí RNA. Vědci navrhnou krátký úsek RNA, jehož sekvence přesně odpovídá cílové části DNA, kterou chtějí upravit. Tato vodicí RNA (gRNA) funguje jako "adresa", tedy přesný návod, kam v obrovském genomu zamířit.
2. Hledání cíle v genomu. Komplex vodicí RNA a enzymu Cas9 vstoupí do buněčného jádra a prohledá celý genom – 3 miliardy písmen – dokud nenajde přesnou shodu se svou sekvencí. Tento proces je pozoruhodně přesný a rychlý.
3. Přestřižení DNA. Jakmile Cas9 najde správné místo, přestřihne obě vlákna dvoušroubovice DNA jako nůžky. Vznikne přerušení v přesně definovaném místě genomu.
4. Oprava a úprava. Buňka se snaží přerušení opravit a zde přichází klíčový moment. Pokud buňka opravuje sama (bez šablony), vznikají drobné chyby, které gen vypnou. Pokud vědci dodají novou DNA sekvenci jako šablonu, buňka ji může zabudovat a gen tak opraví nebo změní.

První schválená léčba: Casgevy (2023)

Po letech výzkumu přišel v listopadu 2023 historický milník: britská léková agentura MHRA jako první na světě schválila lék založený na CRISPR. Casgevy je určen k léčbě srpkovité anémie a beta-talasémie, což jsou závažná dědičná onemocnění krve způsobená vadami v genu pro hemoglobin, bílkovinu přenášející kyslík v červených krvinkách. V prosinci 2023 lék schválily i americká FDA a evropská EMA.

Výsledky klinických studií Casgevy

Výsledky klinických testů jsou mimořádné: terapie Casgevy úplně vyléčila 28 z 29 pacientů se srpkovitou anémií a všech 42 pacientů s beta-talasémií. Obnovila zdravou tvorbu hemoglobinu a vymizely bolestivé krize, které tyto nemoci provázejí. Terapie se podává jednorázově a měla by být účinná po zbytek života pacienta.

Kde všude může CRISPR pomoci?

Srpkovitá anémie je teprve začátek. Výzkumníci po celém světě testují CRISPR pro celou řadu dalších onemocnění – od vzácných genetických vad po rakovinu nebo infekční nemoci.

V klinickém výzkumu nebo schválení:

• Srpkovitá anémie a beta-talasémie (schváleno 2023)
• Leukémie a lymfomy – CRISPR upravené T-buňky
• Transtyretinová amyloidóza (onemocnění srdce a nervů)
• Stargardtova choroba – genetická slepota
• HIV – pokusy o trvalé odstranění viru z buněk

Ve výzkumu – budoucí možnosti:

• Huntingtonova choroba a jiné neurodegenerace
• Cystická fibróza
• Duchennova svalová dystrofie
• Vysoký cholesterol (vypnutí genu PCSK9)
• Transplantační medicína – vepřové orgány pro lidi

Historické milníky CRISPR

1987 – Objev CRISPR sekvencí

Japonský vědec Yoshizumi Ishino jako první popsal zvláštní opakující se sekvence v bakteriální DNA – tehdy bez tušení, k čemu slouží.

2005–07 – Funkce objasněna

Vědci pochopí, že CRISPR sekvence jsou součástí bakteriálního imunitního systému – pamětí minulých virových infekcí.

2012 – Průlomová publikace

Jennifer Doudna, Emmanuelle Charpentier a Martin Jínek (Čech v týmu) publikují práci prokazující, že CRISPR-Cas9 lze naprogramovat k přesnému stříhání libovolné DNA. Svět genomiky se změní navždy.

2018 – Skandál "CRISPR babies"

Čínský vědec He Jiankui oznámí, že upravil zárodečné buňky lidských embryí a narodila se dvojčata s editovaným genomem. Vědecká komunita reaguje pobouřením – jde o vážné překročení etických hranic.

2020 – Nobelova cena

Jennifer Doudna a Emmanuelle Charpentier získají Nobelovu cenu za chemii za vývoj metody CRISPR-Cas9.

2023 – První schválený lék

Casgevy se stává prvním lékem na světě schváleným na základě CRISPR – pro léčbu srpkovité anémie a beta-talasémie. Schvalují ho MHRA (UK), FDA (USA) i EMA (EU).

2024+ – AI + CRISPR

Umělá inteligence pomáhá navrhovat nové a přesnější varianty CRISPR nástrojů – otevírá se éra ještě přesnější a individualizovanější genové terapie.

Etika: kde jsou hranice?

CRISPR nastoluje otázky, které přesahují vědu. Klíčové etické rozlišení leží mezi dvěma typy úprav: somatická terapie (úprava buněk konkrétního pacienta, která se nepřenáší na potomky) a zárodečná editace (úprava vajíček, spermií nebo embryí, která by se dědila a ovlivnila by každou buňku budoucí osoby i všechny její potomky).

Zatímco somatická terapie je vědeckou komunitou obecně přijímána při dodržení bezpečnostních standardů, zárodečná editace je v naprosté většině zemí zakázána nebo přísně regulována a případ čínského vědce He Jiankuiho, který v roce 2018 editoval zárodečné buňky bez vědomí komunity, ukázal, jak závažné etické překročení to může být.

Česká stopa v příběhu CRISPR

Málokdo ví, že v průlomovém týmu, který v roce 2012 publikoval klíčovou práci o CRISPR-Cas9, byl i Čech. Martin Jínek, biochemik z Prahy, byl jako postdoktorand v týmu Jennifer Doudny v Berkeley jedním z hlavních autorů této historické studie. Dnes vede vlastní laboratoř na Univerzitě v Curychu a patří k předním světovým expertům na strukturu a mechanismus CRISPR enzymů. Jeho jméno se opakovaně objevovalo v diskusích o Nobelově ceně a ocenění nakonec získali pouze Doudna a Charpentier.

Pomocí naší metody se dá relativně jednoduše změnit genetická výbava celých organismů. Úprava DNA může být využita při genové terapii — opravě genu u člověka, který trpí dědičnou chorobou. — Martin Jínek, biochemik, spoluautor průlomové studie CRISPR

Zdroj obrázku: www.cancertofdaymag.org