Der Fortschritt der Wissenschaft ist so etwas wie die irren von einem explorer durch einen unerforschten Dschungel. Oft, die Dichte Unterholz scheint undurchdringlich, aber in bestimmten privilegierten Momente, eine Lichtung öffnet sich, und eine völlig neue Landschaft entsteht.
So etwas geschieht im Bereich der Biologie mit der jüngsten Entdeckung von mächtigen Techniken für Eingriffe in den genetischen code des Lebens. Eine neue Methode für die Bearbeitung von Genen, die mit der Leichtigkeit eines Computers cut-and-paste-Funktionen können beweisen noch bedeutsamer als die Spaltung des atoms und stellt einen großen Fortschritt im Kampf gegen tödliche Krankheiten.
Der Durchbruch — bekannt als CRISPR-wurde begrüßt mit ekstatischen Optimismus und Grab begreifen.
In der Forschung erscheint in der erweiterten online-Ausgabe der Zeitschrift Nature Communications, Karen Andersen, Samira Kiani und Ihre Kollegen an der Arizona State University beschreiben eine Methode zum Rendern der gen-editing-tool CRISPR-Cas9 „immunosilent,“ potenziell ermöglicht die Bearbeitung und Reparatur von Genen erreicht werden, die zuverlässig und heimlich.
Die Studie ist die erste, um genau vorherzusagen, die dominante Bindungsstellen oder Epitope verantwortlich für immun-Anerkennung des Cas9-proteins und experimentell Ziel, Sie für die änderung. Die Ergebnisse bringen CRISPR einen Schritt näher an die sichere klinische Anwendung.
Anderson ist ein professor in der Biodesign Virginia G. Piper Center für Personifizierte Diagnosen und ASU ‚ s School of Life Sciences. Sie ist auch associate professor für Medizin an der Mayo Clinic Arizona. Kiani ist seit kurzem Mitglied der Biodesign Institute zusätzlich zu Ihren Terminen bei der ASU ‚ s School of Life Sciences und der School of Biological and Health Systems Engineering. Ihre Forschungsinteressen umfassen die Verwendung von Methoden der synthetischen Biologie zur Verbesserung CRISPR Sicherheit.
Altes Werkzeug, futuristische science
Zurück im Jahr 1987, ein team von Forschern in Osaka, Japan fand etwas eigenartiges. Identische genetische Sequenzen zu sein schien, tauchten immer wieder in das bakterielle Genom von E. coli. Diese Palindrom-Sequenzen wurden getrennt durch verkürzte snippets von DNA unterschiedlicher Zusammensetzung.
Die Natur dieser seltsamen, sich wiederholenden Sequenzen und neugierige DNA-Sätze trennen, Sie waren ein Rätsel. Bemerkenswert ist, begann Sie zeigen sich in andere Bakterien. In der Tat, das Phänomen schien allgegenwärtig zu sein, und das Rennen für eine Erklärung war.
Heute wissen wir, dass die Forscher hatte stolperte über einen bislang unbekannten bakteriellen Immunsystems — CRISPR (clustered regelmäßig interspaced kurze Palindrom wiederholt).
CRISPR beruht auf zwei grundlegenden Komponenten. Der erste, bekannt als guide RNA, eine Art “ molekularer Spürhund, verantwortlich für die Suche nach einem bestimmten Ort im Genom zu verändern oder deaktiviert. Die zweite Komponente, bekannt als Cas9, ist eine Besondere Art von protein, bekannt als eine endonuklease. Es funktioniert wie ein paar von messerscharfen Scheren, schneiden durch die Doppelstrang-DNA an der gewünschten Seite befindet sich der guide RNA.
Wenn ein Bakterium wie E. coli eingedrungen ist, der von einem unbekannten virus-bekannt als Bakteriophagen — das CRISPR-system aktiviert ist. Wenn bakterielle Abwehrmechanismen erfolgreich deaktiviert der virus, CRISPR Koteletts die Eroberer die DNA in Stücke und speichert diese Fragmente in einer Art von genomischen Bibliothek. Eine nachträgliche viralen Angriff auf das Bakterium verursacht CRISPR Vergleiche von DNA-Segmenten des betreffenden virus mit dem Bakterium Daten bank von DNA-Fragmenten aus früheren virale Angriffe. Wenn Sie die guide-RNA findet eine übereinstimmung entlang der virus-DNA, bindet Sie mit der komplementären Sequenz und das Cas9-protein trennt die DNA, die Einstellung des virus.
Natur 2.0
Clevere Forscher bald erkannte das Potenzial von CRISPR-Cas9 als all-Zweck-gen editing-tool, nützlich, nicht nur für die Modifikation ausgewählten Regionen während des gesamten bakteriellen Genoms, sondern die Genome aller heute lebenden Organismen, einschließlich des Menschen. Die Möglichkeiten sind atemberaubend und sind nicht beschränkt auf, die wirksame Behandlungen für ein breites Spektrum genetischer Erkrankungen. Für die erste Zeit kann es möglich sein, zu korrigieren, die Natur der genetischen Tippfehler, Heilung vieler dieser Krankheiten geradezu und andere daran hindern, jemals zu entstehen.
CRISPR hält auch das Potenzial, radikal verändern die ökosysteme und vorgeschlagen worden, als ein Mittel der Ausrottung von Krankheiten wie malaria, indem er die Mücken, die Sie tragen, Aussterben, durch CRISPR-aided Techniken, bekannt als gen-Laufwerke.
Zum ersten mal in der Geschichte der Erde, eine Art, hält den Schlüssel zu lenken Laufe der eigenen Entwicklung, (nicht zu erwähnen die Entwicklung von Bakterien, Giraffen, redwood-Bäume und alles planetarische Leben). Derzeit gibt es Verbote von gen-editing-Bemühungen in den Menschen konnte weitergegeben werden, die über die Keimbahn an nachfolgende Generationen weitergegeben, aber in mindestens einem Fall, diese Grenzen wurden seltsamerweise überschritten. So kraftvoll und vielseitig ist der CRISPR-Methode, es gibt wahrscheinlich einige Domänen der angewandten Biologie, bleiben davon unberührt.
Aber bevor CRISPR kann seine ersten zaghaften Schritte in der Klinik, eine Reihe von Sicherheits-Fragen müssen angegangen werden, beginnend mit dem gen-slicing-protein Cas9.
„Wie viel sind eine Gesellschaftliche revolution, eine technologische revolution, haben viele Forscher begonnen, einen Blick in ethischen, gesellschaftlichen, Sicherheits-und regulatorische Aspekte im Zusammenhang zu CRISPR-Nutzung“, sagt Kiani. „Safety engineering“ – Adresse Kontrollierbarkeit, Spezifität und Nebenwirkungen von CRISPR-Behandlungen haben deutlich an Fahrt gewonnen und ethischen Debatten entstanden sind, um sicherzustellen, dass der korrekte Umgang mit der Technik. Mein Labor ist daran interessiert, die beide Probleme berücksichtigen.“
Die Verwaltung Immunität
Cas9 ist ein präzises und vielseitiges Werkzeug, austauschen früh, ungenau und ineffizient-gen editing-Techniken mit einem schnellen, kostengünstigen und tödlich-präzisen schneiden Gerät. Aber Cas9 in Ihrer ursprünglichen form möglicherweise nicht gut verträglich durch den menschlichen Körper.
Machen CRISPR-Technologie sicher für den klinischen Einsatz ist ein zentrales Anliegen und das Thema ist herausfordernd. Eine Notwendigkeit ist, um sicherzustellen, dass die zentrale Maschinerie des CRISPR nicht erkannt, die von einem Patienten das Immunsystem als fremde Person und angegriffen. Eine Immunantwort kann zu erheblichen Toxizität. (Einen frühen, pre-CRISPR-Methode einzuführen, die veränderten Gene zu korrigieren, eine seltene genetische Störung, die in einer Tragödie geführt, als ein Immunsystem Aufstand verursacht, Multiorganversagen und Tod. Heute, verbesserten Vektoren für die gen-Therapie haben dazu geführt, in sicherer Behandlungen für eine Reihe von genetischen Störungen, obwohl „off-target“ Effekte von Interventionen bleiben ein wichtiges Anliegen.)
Das Cas9-protein abgeleitet ist ein weit verbreitetes Bakterium, streptococcus pyogenes. „Das problem ist“, sagt Anderson, „ist, dass viele von uns sind bereits immun gegen Streptokokken. Wenn Sie hatte eine Gruppe A Streptokokken-Infektion, die Sie haben können Sie bereits bestehende Immunität gegen das protein.“
S. pyogenes ist ein rundes Bakterium, das Häufig im Dickdarm des Rachen -, genital-Schleimhaut, des Rektums und der Haut, die beeinflussen, 700 Millionen Menschen jährlich weltweit. Es ist verantwortlich für Krankheiten, angefangen von rheumatischen Fieber und rheumatische Herzerkrankungen zu Scharlach und Streptokokken-pharyngitis — allgemein bekannt als Halsentzündung.
In früheren gene-editing-Bemühungen, Zellen entfernt wurden aus dem menschlichen Gewebe, überarbeitet und ersetzt in den Körper. Die macht der CRISPR Forschern ermöglicht, zu ändern, die DNA in eine lebende person, die Gewebe und sogar bis zum Ziel mehrere gen-Modifikationen, die mit einem einzigen CRISPR intervention. „Wenn Sie wollen, zu denken über die Reparatur-Zellen, die in ein organ, wie eine Leberzelle oder Niere oder Gehirn,“ sagt Anderson, „dann haben Sie, um auszudrücken, das bakterielle protein es.“ Dies ist, wo die Gefahr der Auslösung einer Immunantwort zu Cas9 wird zu einem gewaltigen Hindernis.
Cas9 geht Inkognito
Die neue Studie bestätigt, dass Cas9 ist in der Tat immunogen in Menschen sind und dass bereits vorhandene Exposition gegenüber S. pyogenes fahren kann, die körpereigenen T-Zellen, starten eine immun-Attacke gegen die bakterielle protein. Wenn 143 Proben von Blut wurden überprüft, 82 von Ihnen (oder 57.3 Prozent) zeigten nachweisbare Mengen von Antikörpern gegen S. pyogenes.
Die Studie weiter beschreibt einen Aufwand zu produzieren eine voll funktionsfähige version von Cas9, geeignet für gen Bearbeiten, die nicht automatisch erkannt und gezielt durch das Immunsystem. Um dies zu tun, haben die Forscher identifiziert, die Regionen der Antikörper-Bindung an die Cas9 Molekül (bekannt als Epitope), wurden direkt verwickelt in der Auslösung von T-Zell-Erkennung und Angriff.
Zwei Mutationen, so genannte ankerreste des Cas9 Epitop erforscht wurden einzeln und in Kombination zu bewerten, Ihre Wirkung auf die Immunogenität. Ändern sich diese Regionen durch eine einzige Aminosäure produziert eine version von Cas9, arbeiten undercover. T-Zell-Reaktivität gegen das mutierte Peptid zeigte eine 25-30 fache Reduktion, während Cas9 DNA-schneiden Fähigkeit intakt.
„Das ist der einzige Teil von dem, was wir getan haben,“ sagt Anderson. „Wir haben diese dominanten Epitope und versucht zum schweigen zu bringen — einfach, indem Sie eine oder zwei Mutationen in dem gen Cas9. Aber haben wir Sie umgebaut, so wurde das gen noch funktioniert. Es ist nicht immunologisch stumm, aber seine mehr ruhig.“ In der Tat, die Ergebnisse der Studie bestätigt, dass in kultivierten Zellen, die überarbeitete Cas9 war weniger immunologisch aktiv, wobei seine funktionellen Eigenschaften. Der Autor ist zu betonen, dass das Verfahren könnte in Kombination mit anderen Strategien zur weiteren Verbesserung CRISPR Sicherheit und reduzieren die Notwendigkeit für Immunsuppressiva Medikamente.
Spannende neue Wege der Forschung untersucht es ermöglichen würde, dass CRISPR verwendet werden, um zu veranlassen, dass die epigenetische Veränderungen, ein stiller Gene, verändern die Aktivität der Gene gestört oder anderweitig geändert wird, Genexpression, ohne dauerhafte änderungen an der DNA. Solche Eingriffe erfordern das CRISPR-system zu bleiben viel länger im Körper wirksam zu werden, vielleicht Wochen oder Monate. Hier werden Potenziale Immunität zu Cas9 werden noch mehr eine kritische Betrachtung. Maßanfertigung von epitopen zu schweigen, die Immunantwort zu Cas9 bietet einen attraktiven Ansatz.
„Wir hoffen, dass diese Studie ist der Beginn von vielen Bemühungen, die, wenn Sie kombiniert werden, können Adresse und die Immunogenität CRISPR für klinische Studien“, sagt Kiani.