Vědci 'vyCRISPRovali' z embrya dědičnou chorobu. Přichází doba rutinních zásahů do lidského genomu?

- Člověk autor: Jan Toman

Před pár dny proletěla světem zpráva, že se výzkumníkům poprvé podařilo úspěšně opravit škodlivou mutaci v lidském embryu. Samozřejmě nešlo o test klinický, ale teprve laboratorní – zárodky, byť lidské, se před jeho ukončením nerozrostly víc než na pár buněk. Přesto ale vyvolal řadu diskusí. Přichází doba genové terapie, modifikací naší DNA a "miminek na přání", nebo jde o jednu velkou nafouklou bublinu?

CRISPR-Cas9

CRISPR-Cas9,zdroj: Profimedia.cz

Třináctá komnata medicíny

Pravda leží někde mezi oběma extrémy. Abychom ale tajům modifikace lidské DNA a jejímu lékařskému využití pronikli pod kůži, musíme se vrátit o pár let zpátky. Metody genetického inženýrství, tj. přímé modifikace DNA, se začaly rozvíjet v 70. letech 20. století.

Zhruba od 80. let hrají významnou hospodářskou roli a pomohly vyřešit i několik palčivých medicínských problémů. Dostatečnou produkci injekčního inzulinu pro diabetiky například zajišťují bakterie Escherichia coli, do jejichž genomu byl vnesen lidský gen pro produkci tohoto hormonu. Od 90. let se potom objevují geneticky modifikované potraviny a probíhají první pokusy s genovou terapií u lidí.

Cílené zásahy do lidské DNA rozhodně nejsou samoúčelnou šíleností ve stylu Ostrova doktora Moreaua. Genom žádných dvou lidí není zcela totožný. Každý z nás zdědil po rodičích různě efektivní varianty různých genů. Nové varianty genů navíc vznikají i průběžně, prostřednictvím mutací, například při tvorbě pohlavních buněk. Některé mutace jsou tak škodlivé, že vedou k bezprostřední smrti zárodku či čerstvě narozeného jedince.

Další varianty genů neškodí tak fatálně, ale výrazně poškozují zdraví či komfort svých nositelů – způsobují dědičné choroby. Mezi ně můžeme zařadit například hemofilii, srpkovitou anemii, Huntingtonovu chorobu, cystickou fibrózu, různé formy svalové dystrofie a tisíce dalších poruch.

V populaci zůstávají proto, že se jejich nositelé dožívají reprodukčního věku a mohou zanechat potomstvo, nebo z důvodu, že se projevují jen za určitých okolností – například když jedinec nese dvě kopie "špatného" genu zděděné po obou rodičích. No a v neposlední řadě jsou tu varianty genů s charakterem "něco za něco".

Mohou například poskytovat větší odolnost k určité nebezpečné nemoci nebo zvyšovat fyzickou výkonnost svého nositele, ve vyšším věku ale vedou ke zvýšenému riziku rakovinného bujení či kardiovaskulárních chorob.

Řadu z těchto dědičných chorob, respektive genetických variant, lze odhalit s pomocí preimplantační genetické diagnostiky. Jinými slovy, když se v dané rodině určitá dědičná choroba prokazatelně vyskytuje, lékaři mohou doporučit umělé oplodnění s vyřazením těch zárodků, které nesou poškozenou variantu genu.

Další možností je prenatální screening neboli kontrola zárodku co do znaků určitých genetických chorob v průběhu raných fází těhotenství. Ani jedna z těchto možností ale není bez rizik. Cílená změna "špatného" genu na jeho zdravou variantu sice také přináší určitá nebezpečí, ale v ideálním případě je daleko přímočařejší a nese s sebou příslib úplné eliminace některých dědičných chorob z populace. V určité modifikované variantě ji snad navíc jednou půjde použít v jakémkoli věku.

CRISPR a revoluce v genovém inženýrství

Donedávna se precizní zásahy do lidské DNA jevily spíše jako sci-fi než použitelný lékařský postup. Dosáhnout změny přesně a výhradně na požadovaném místě je totiž mimořádně obtížné. Na pomoc lze povolat viry, které dokáží DNA rozštípnout a vmezeřit se do ní. Molekulární mašinerie, kterou využívají, se ale ukázala jako příliš nepřesná a nespecifická.

"Vmáčknutí" nového genu zpravidla způsobilo řadu druhotných mutací a kopie se často vmezeřila i na další nežádoucí místa. Netřeba dodávat, že podobná poškození by mohla vést k dalším, možná ještě významnějším, zdravotním problémům. Další studované metody zase byly příliš neefektivní, drahé či náročné na praktické využití.

Před pár lety ovšem na scénu vstoupil CRISPR-Cas9 a celé vědní odvětví postavil na hlavu. Původně jej vědci odhalili jako jeden ze systémů bakteriální obrany proti virům a genomovým parazitům. Genetický materiál vetřelců pomocí něj bakterie rozstříhají a za specifickými "návěstími" vloží do vlastní DNA. Při dalším útoku vetřelce jsou tyto kousky cizí DNA nakopírovány a druhou částí CRISPR-Cas mašinerie využity podobně jako záznamy z databáze otisků prstů.

Pokud se příslušná sekvence vyskytuje také u vetřelce, bakteriální protein jeho DNA bez váhání rozstříhá a tím útočníka zneškodní. Celý systém je velmi efektivní, specifický a takřka neomylný. Co je ale nejdůležitější, bez větších problémů jej lze využít k cílenému nastřihnutí požadovaného úseku jakékoli DNA – včetně lidské.

Jemná úprava mašinerie a její navigování na příslušný úsek DNA totiž nepředstavuje velký technický problém. Potom už stačí systém spojit s jinými proteiny zajišťujícími například vložení požadovaného genu a pomyslný svatý grál genetického inženýrství je na světě.

Modifikace lidských embryí

Vzhledem ke všem zmíněným výhodám systému CRISPR-Cas9 nepřekvapí, že se do jeho zkoumání pustila i přes varování před možnými riziky řada výzkumníků. Zatím poslední výsledky prezentoval mezinárodní tým vědců v prestižním vědeckém žurnálu Nature.

Nejde o první studii provedenou s CRISPR-Cas9, ba dokonce ani o první studii provedenou s pomocí této mašinerie na lidských embryích. Rozhodně jde ale o výzkum zatím nejdetailnější, který odhalil mnoho technických podrobností o působení systému v zárodcích a přiblížil tak jeho možné nasazení v klinické praxi.

Celý pokus o nápravu "špatných" genů je založen na poznatku, že lidské buňky mají schopnost opravovat dvouřetězcové zlomy DNA podle stejného úseku v druhé kopii genetické informace, případně podle předlohy, kterou jim v mnoha kopiích vědci dodají zvenčí. Teoreticky by tak mělo být možné nechat CRISPR-Cas9 vystřihnout "špatnou" variantu genu a potom počkat, až se úsek opraví podle přítomné nebo zvenčí dodané zdravé varianty.

Ve skutečnosti ale celý proces tak jednoduchý není. V celé řadě případů sáhne buňka po jiném systému opravy, při kterém oba přestřižené konce DNA jednoduše spojí. To většinou vede ke vzniku mnoha chyb a vynechání celých úseků. Efektivita sofistikovanější metody oprav je navíc poměrně malá a podmínky, za kterých je nasazena, nejsou úplně jasné. Pokud by se ji ale podařilo ovládnout, mohlo by jít o cestu k opravení poškozených genů zodpovědných za celou řadu chorob.

Slibné výsledky

V poslední studii se vědci zaměřili na gen MYBPC3, jehož zmutovaná varianta v dospělosti vede k rozvoji srdečního onemocnění zvaného hypertrofická kardiomyopatie. To vůbec není vzácné. V některých populacích stoupá frekvence "špatné" varianty genu až k osmi procentům. Odhaduje se, že jím trpí zhruba jeden člověk z pěti set a za velkou část případů může právě změna MYBPC3.

Trochu jiné mutace genu navíc vedou k dalším srdečním chorobám. Mimochodem, hypertrofická kardiomyopatie představuje jednu z nejčastějších příčin záhadných srdečních zástav u jinak naprosto zdravých sportovců.

Výzkumníci nejprve nasbírali tkáňové vzorky a sperma muže nesoucího mutaci v genu MYBPC3. Následně s pomocí spermií v laboratoři oplodnili vajíčka zdravé ženy, přičemž polovinu vzorků ošetřili CRISPRy naprogramovanými k vystřihnutí "špatné" varianty genu.

Aby buňce s opravami pomohli, dodali ještě mnoho kopií úseku DNA se zdravou variantou. Ty označili dvěma neškodnými záměnami v "písmenech" DNA, aby následně mohli odlišit, kolik oprav buňka podnikla podle těchto umělých předloh a kolik podle zdravé varianty genu přítomné v druhé kopii genetické informace. Vše vpíchli do vajíčka 18 hodin po oplodnění, počkali tři dny a následně analyzovali zárodek o velikosti čtyř až osmi buněk.

Zárodky v kontrolní skupině, která dávku CRISPRů nedostala, odpovídaly očekávání – polovina zárodků "škodlivou" mutaci nesla, polovina ne. Ve skupině ošetřené CRISPRy celých 36 zárodků neneslo jedinou známku po škodlivé mutaci a bylo sofistikovaně opraveno podle zdravé varianty genu. Opak platil pro pouhých pět embryí.

Překvapením bylo, že celých 13 embryí vykázalo mozaikovitý charakter – některé jejich buňky nesly jen zdravé varianty genu, jiné z poloviny škodlivou mutaci, a ještě další byly opraveny narychlo s velkým množstvím chyb. Mašinerie CRISPR tak očividně "napravovala" buňky i poté, co se již zárodečná buňka začala dělit, a to i přesto, že do dceřiných buněk nebyla přímo vstříknuta. Injekce CRISPRů navíc zárodkům prakticky nijak neublížila. Drtivá většina ji přežila a vyvíjela se stejně rychle, jako zárodky z kontrolní skupiny.

To největší překvapení se ovšem dostavilo, když vědci detailně prozkoumali opravené geny. Naprosto všechny se totiž zrekonstruovaly podle druhé, zdravé, varianty přítomné v genomu, a ne zvenčí dodaných předloh.

Zdá se tedy, že vajíčko těsně po oplodnění a buňky v raných fázích zárodku oplývají nějakou dosud neidentifikovanou metodou přesných a sofistikovaných oprav výhradně podle nepoškozené kopie daného úseku DNA.

Celkově se úspěšnost CRISPRů přiblížila třem čtvrtinám, přičemž dvě třetiny z CRISPRy ovlivněných zárodků zrekonstruovaly gen podle jeho zdravé varianty. Kromě toho vědci nenašli žádnou spolehlivou indicii, že by CRISPRy nadělaly paseku i jinde v genomu. Podle všeho byly jejich zásahy přesné a precizní.

Modifikace na počkání a děti na zakázku?

Ještě většího úspěchu výzkumníci dosáhli, když vložili směs CRISPRů a předloh do spermie těsně po oplození vajíčka. Úspěšnost zásahů se vyšplhala na tři čtvrtiny a všechny zárodky až na jeden byly opraveny podle zdravé varianty genu přítomné v genomu. Jeden zbývající navíc neskončil s původní mutací nebo spoustou chyb, ale byl opraven podle dodané předlohy. Výzkumníkům se tak podařilo výrazně redukovat vytváření mozaikovitých zárodků, které by v praxi mohly představovat velký problém.

Dočkáme se tedy v nejbližších letech rutinních zásahů do lidské DNA? S největší pravděpodobností ne – výsledky jsou zatím velmi předčasné a mezi vědci i lékaři panuje velká opatrnost před uspěcháním nasazení tak efektivního nástroje. Pořád je třeba vyřešit mnoho technických otázek týkajících se mimo jiné typu použitých CRISPRů, načasování jejich nasazení a délky působení.

Zatím je tak možné vyřešit etické aspekty celé věci. Třeba zda je vhodné zcela eliminovat některé genetické varianty z populace. Nic totiž není černobílé. Některé za dnešních okolností škodlivé varianty genů totiž mohou jindy přinášet velmi výhodné vlastnosti – třeba odolnost proti smrtícím chorobám.

Oblíbeným námětem diskusí bývá také myšlenka vylepšování člověka a "dětí na zakázku". Zde naštěstí (či, z pohledu nadšenců do vylepšování člověka, bohužel) platí, že zatím jen velmi málo rozumíme vlivu různých variant genů na vzhled a vlastnosti člověka. Drtivá většina z nich se totiž ve svých efektech složitě proplétá, ovlivňuje se na mnoha úrovních a úzce souvisí s podmínkami prostředí. Jen málokterá změna má jednoznačný vliv bez vedlejších účinků. A zřejmě málokdo by chtěl svým potomkům přiřknout geniální inteligenci provázenou psychickými chorobami nebo atletickou muskulaturu vyváženou rakovinným bujením.

Pravda, některé vlastnosti jsou kódovány prostším způsobem. Dávat tisíce dolarů za změnu barvy očí nebo vlasů ale rozhodně nepůsobí moc neodolatelně – nemluvě o právních aspektech celé věci. Sofistikované vylepšování člověka je zkrátka věcí až vzdálené budoucnosti. S odstraňováním poškozených genů a jejich nahrazováním zdravými se ale patrně setkáme ještě za našeho života.

Zdroj: H Ma, N Marti-Gutierrez, S-W Park, ... S Mitalipov (2017): Correction of a pathogenic gene mutation in human embryos. Nature, online.

Tagy: DNA genetická modifikace lékařský výzkum věda a poznání CRISPR

Zdroje: Vlastní