Forskere har lagt til enda et verktøy i den genteknologiske verktøykassa; en variant av CRISPR-metoden som lar oss kontrollere genenes funksjon uten å kutte DNA-et i det hele tatt. Det gir mange muligheter for forskning og innovasjon.
Av Sigrid Bratlie i tidsskriftet GENialt
Genteknologien er midt i en rivende utvikling. For noen tiår siden lærte vi å lese DNA gjennom gensekvensering, noe som har gitt oss mye kunnskap om hvordan gener fungerer. De siste årene har vi også fått effektive metoder for å klippe og lime i DNA-et. Slik genredigering, særlig CRISPR-metoden, utvikles for en rekke formål, blant annet medisinsk behandling og matproduksjon. Nå kommer også neste generasjons genteknologi som gir enda flere muligheter.
Gensaksen CRISPR kommer i mange former
Genredigeringsteknologien CRISPR har fått mye oppmerksomhet de siste årene. Den såkalte «gensaksen» gjør det mulig å lage målrettede endringer i DNA-et fra en hvilken som helst organisme, og er både enkel og billig å bruke. Kort forklart går den ut på at et enzym kalt Cas9 styres til et bestemt sted i DNA-et og kutter det i to. Når dette bruddet så repareres, vil det oppstå endringer. Klipp og lim med CRISPR er vist i figur 1a.
Hvis man derimot tar bort den delen av Cas9 som er ansvarlig for kuttingen, men lar alt annet være intakt, vil enzymet fortsatt styres til riktig sted i DNA-et, men ikke kutte. Denne versjonen av Cas9 kalles dCas9, som står for død Cas9. Men hva i all verden kan man bruke en ødelagt gensaks til? En hel del, faktisk. Her får du noen eksempler.
Bytte ut enkeltbaser uten å kutte DNA-et
DNA er bygget opp av lange tråder av fire ulike kjemiske baser, betegnet A, T, C og G. Det finnes tusenvis av genetiske sykdommer som skyldes feil i én av de drøyt tre milliarder basene som utgjør menneskets arvestoff. For eksempel kan en A ha blitt byttet ut med en G. Det er i utgangspunktet mulig å reparere slike feil ved hjelp av klipp og lim med CRISPR, der en ny DNA-bit med den riktige sekvensen erstatter den som klippes bort. En av utfordringene med denne tilnærmingen, der det settes inn nytt DNA i kuttet, er at det ikke alltid er så effektivt. I celler som har sluttet å dele seg, slik som hjerneceller, er det nesten umulig. Men nå har forskere funnet en annen måte å endre enkeltbaser på, ved hjelp av dCas9. Ved å koble dCas9 til et enzym som kan endre på den kjemiske strukturen på basene, kan de rett og slett konvertere én base til en annen. For eksempel kan en G bli til en A, uten å klippe ut noe av DNA-et. Dette er illustrert i figur 1b. Slik baseredigering kan sammenlignes med å bruke viskelær og blyant for å endre en skrivefeil, fremfor å klippe ut hele ordet og lime inn et nytt. Metoden vil kunne få betydning for behandling av genetiske sykdommer, og kan brukes til å endre egenskaper hos planter og dyr.
Skru av og på gener
Et annet bruksområde for dCas9 er å skru av og på gener, uten å endre DNA-sekvensen. DNA-et er selve oppskriften på hvordan en celle, og dermed en organisme, fungerer. Men en blodcelle og en nervecelle oppfører seg svært ulikt, selv om de har det samme DNA-et. Dette fordi det er forskjellige gener som er skrudd av og på i ulike celler. Vi kan sammenligne med hvordan et symfoniorkester fremfører et musikkstykke: dersom alle instrumentene spiller i full styrke, hele tiden, blir det ikke særlig musikalsk. For at musikkstykket skal høres riktig ut, må instrumentene spille med ulik styrke, og kun på gitte tidspunkter. På samme måte må kun de riktige genene være aktive for at en celle til enhver tid skal gjøre jobben sin ordentlig.
Aktiviteten til et gen styres blant annet av kjemiske «merkelapper» som festes på DNA-et. Dette kan påvirke hvor tett DNA-et er pakket sammen, og dermed hvor enkelt det kan leses når det skal lages proteiner fra genet. Dette styres igjen av ulike enzymer i cellen som setter på eller tar av disse «merke-lappene».
I tillegg til å regulere normale biologiske prosesser i cellene, kan genaktivitet også påvirke sykdom. Unormal genaktivitet kan blant annet føre til kreft og diabetes. Muligheten til å kunne endre dette vil derfor være svært ettertraktet blant annet i medisinsk behandling, men har så langt vært veldig begrenset. Å målrettet styre aktiviteten til enkeltgener har vært umulig. Men det var før CRISPR. Ved å koble dCas9 til ulike enzymer som starter eller blokkerer avles-ingen av et gen, eller som kan legge til eller fjerne kjemiske «merkelapper», kan man dermed øke eller redusere aktiviteten til enkeltgener. Dette er vist i figur 1c og d.
Mange muligheter
Å kunne kontrollere spesifikke geners aktivitet kan brukes til mange ulike formål. Ett av dem er utviklingen av genmodifiserte organismer (GMO) med nye egenskaper. For eksempel viser en fersk artikkel i det anerkjente tidsskriftet Nature Communications hvordan man kan bruke dCas9 til å lage en kunstig barriere for reproduksjon mellom en GMO og dens ville slektninger. Forskerne designet dCas9 slik at den skrur opp aktiviteten til et gen så høyt at det er dødelig for cellen – litt som å skru opp musikkvolumet så høyt at trommehinnen i øret sprekker. Imidlertid rigget de systemet slik at dette bare skjer i ville organismer, ikke GMO-ene de laget på laben. Dersom en GMO med denne dCas9-varianten krysser seg med en vill slektning, vil avkommet dø. Slik kan man hindre uønsket spredning av GMO i naturen.
Også innen medisinsk forskning og behandling kan muligheten til å justere aktiviteten til enkeltgener ha stort potensial. For eksempel kan vi lære mye om hvordan variasjon i genaktivitet påvirker sykdomsutvikling, ved å etterligne disse prosessene i laboratoriet. Hva skjer hvis vi skrur på dette genet for tidlig? Eller skrur av dette genet i en kort periode? dCas9 kan gi oss muligheten til å besvare slike spørsmål.
Nye sykdomsbehandlinger?
Et annet eksempel viser hvordan metoden potensielt kan gi oss nye sykdomsbehandlinger. En nylig studie beskrev hvordan dCas9 kan brukes til å omdanne én celletype til en annen, for eksempel en bindevevscelle til en nervecelle, ved å skru på de nødvendige «nervegenene». Slik omprogrammering av celler gjøres vanligvis ved først å tilbakestille dem til stamceller – opp-havet til alle celletyper i kroppen vår – og deretter utvikle dem til andre celletyper. Med dCas9-metoden kan man tilsynelat-ende hoppe over hele stamcellestadiet, noe som vil kunne forenkle og effektivisere prosessen. Håpet er at omprogrammerte celler kan brukes i medisinsk behandling, for eksempel til å erstatte tapt hjernevev hos pasienter med Parkinsons sykdom.
Det er fortsatt er langt igjen til slike metoder kan tas i bruk i pasienter, blant annet fordi det vil være utfordringer med å levere dCas9 til akkurat de riktige cellene i kroppen. Likevel er det ingen tvil om at den raske utviklingen på genteknologifeltet gir oss en stadig bedre verktøykasse for både å kunne forstå og redigere DNA, livets kode.
