Slutt med slurvefeil i genene dine

Siden 2018 har to kinesiske jenter levd med en rekke feil i DNA-et sitt – feil som ble til i et forsøk med genteknikken CRISPR. Med tre nye verktøy vil forskere nå forhindre flere uhell og føre genredigering inn i en ny tidsalder.

Siden 2018 har to kinesiske jenter levd med en rekke feil i DNA-et sitt – feil som ble til i et forsøk med genteknikken CRISPR. Med tre nye verktøy vil forskere nå forhindre flere uhell og føre genredigering inn i en ny tidsalder.

Claus Lunau & Shutterstock

Genmodifiserte mennesker. For noen få år siden var det ren science fiction. I dag er det en realitet, og årsaken er CRISPR – en enkel genteknologisk oppfinnelse som på under et tiår har skapt en av de største revolusjonene i vitenskapens historie.

CRISPR består av en molekylær saks som forskerne kan programmere til å oppsøke et bestemt gen og klippe det over og dermed endre DNA-et vårt permanent.

Teknologien så for alvor dagens lys i 2012, og allerede få år etter inngikk CRISPR årlig i tusenvis av vitenskapelige studier og hundrevis av patentsøknader. Med seg brakte den nye teknologien håp om etterlengtede kurer mot genetiske sykdommer.

Men det genteknologiske vidunderet har nå snublet over sine egne bein. De lovende resultatene fikk i 2018 en kinesisk forsker til å teste teknologien på menneskefostre.

Resultatet var et par tvillinger som i dag bærer på gener med egenskaper de ellers ikke ville ha hatt. Samtidig er tvillingene et levende bevis på at genteknikken har alvorlige svakheter som kan gi livsvarige skader.

Genverktøyet CRISPR kan endre på DNA-et og har blitt hyllet som framtidens mirakelkur mot arvelige sykdommer, men den populære teknologien er upresis og kan føre til feil i genene.

© Shutterstock

Gensaks klipper over DNA

CRISPR-metoden omfatter typisk enzymet Cas9 og en kort sekvens av RNA. RNA-et guider enzymet til et bestemt sted i et gen, og enzymet klipper deretter over genet.

© Shutterstock

Forskere mister kontrollen

Cellen reparerer det åpne bruddet ved å legge til eller fjerne DNA-baser fra bruddet og dermed lime sammen endene. Forskerne har ingen kontroll over reparasjonen, og feil kan lett oppstå.

Tross problemene blir CRISPR fortsatt testet på mennesker, og forskerne jobber derfor med å oppdatere teknologien slik at den ikke etterlater forsøkspersoner med skader i DNA-et sin.

I alt er tre oppdateringer nå klare til å bringe CRISPR tilbake på rette spor.

Dødelig våpen ble en suksess

CRISPR – eller clustered regularly interspaced short palindromic repeats – er ikke en ny oppfinnelse.

Bakterier har brukt systemet i millioner av år som et effektivt våpen mot inntrengende virus – et våpen som kan målrettes mot DNA-et til inntrengeren. Elementer av CRISPR ble oppdaget av forskere allerede i 1987, men først 25 år senere gikk potensialet opp for forskerne.

Biokjemikeren Jennifer Doudna og mikrobiologen Emmanuelle Charpentier var i 2012 de første til å utnytte bakterienes våpen til å rette i gener.

3917 vitenskapelige studier om CRISPR ble utgitt i 2018.

CRISPR består av et enzym som kan klippe over DNA og et stykke RNA som kan guide enzymet til en bestemt DNA-sekvens – og ved å tilpasse RNA-et kunne forskerne få enzymet til å klippe i akkurat det genet de ønsket.

Året etter, i 2013, videreutviklet biokjemikeren Feng Zhang teknikken slik at det til en viss grad også ble mulig å innsette en ny, designet DNA-sekvens i det hullet som enzymet hadde klippet.

Denne nye funksjonen blir imidlertid slett ikke alltid brukt – blant annet fordi det fortsatt er usikkert hvor effektiv den er. I stedet overlater forskerne det ofte til cellen selv å reparere hullet og skape en bestemt endring i genet.

Metoden var knapt nok funnet opp før forskerne begynte å teste den på planter og dyr. I 2014 kurerte amerikanske forskere mus for stoffskiftesykdommen tyrosinemi ved å endre i genet Fah i leverceller på syke museunger.

Samme år rettet et annet team forskere i appelsiners PDS-gen, som styrer hvordan frukt modner.

CRISPR lager permanente endringer i DNA-et, og eventuelle feil blir hengende resten av livet. En ny teknikk omgår problemet ved å redigere gener uten på noe tidspunkt å røre DNA-et.

© Shutterstock

Genetisk kode kopieres til RNA

Cellen oversetter DNA-et i et gen til RNA, som oversettes til et protein. Avlesning av genet SCN9A fører til dannelsen av proteinet NaV 1.7, som er viktig for smertefølelse.

© Shutterstock

Enzymer guides til RNA-sekvens

Forskerne kobler enzymene Cas13 og APOBEC1 og utstyrer dem med et stykke RNA. Det guider enzymene til den RNA-sekvensen som skaper proteinet NaV1.7.

© Shutterstock

Skalpell gjør om en bokstav til en annen

Enzymene legger seg tett opp til RNA-sekvensen, og enzymet APOBEC1 skjærer nå i den ene av RNA-ets baser, slik at den ene bokstaven i koden blir endret fra en C til en U.

© Shutterstock

Ny kode gir smerteløst protein

Cellen oversetter den endrede RNA-koden til et protein, men endringen innebærer at proteinet også er endret – og det nye proteinet hemmer smertesignaler.

CRISPR var en så stor suksess at kinesiske forskere allerede i 2016 tok skrittet videre til mennesker. Forskerne tok immunceller fra kreftpasienter, endret cellenes gener i laboratoriet og sprøytet inn de genredigerte cellene i pasientene igjen.

Forsøket viste at de genredigerte immuncellene er ufarlige for kroppen – men det er fortsatt uvisst om cellene kan slå ned kreften mer effektivt.

Dette første forsøket på mennesker var et stort skritt, men det var imiderltid et relativt forsiktig skritt. CRISPR ble sprøytet inn i celler som var tatt ut av pasientenes kropper – altså ikke rett inn i pasienten – og bare en liten del av pasientens celler fikk endret DNA-et sitt.

CRISPR gjør feil i babyer

Det endret seg i 2018 da den kinesiske biofysikeren He Jiankui for første gang skapte mennesker som var genredigerte fra topp til tå. Målet hans var å skape barn som var resistente overfor hiv-virus.

I befruktede eggceller fra en donor ville han ved hjelp av CRISPR skape en bestemt mutasjon i genet CCR5.

Mutasjonen finnes helt naturlig hos noen mennesker – først og fremst europeere – og gir hel eller delvis beskyttelse mot hiv. I begynnelsen av 2018 gikk han i gang, og i oktober samme år ble verdens første genredigerte babyer født – et par tveeggede tvillingjenter.

Forskere verden over var i sjokk. He ble dømt til tre års fengsel for uetisk forskning, men en detaljert rapport over forsøkene hans ble aldri offentliggjort. En rekke opplysninger tyder imidlertid på at forskeren kanskje aldri nådde målet sitt: å gjøre tvillingene resistente overfor hiv.

Forskeren He Jiankui Skapte i 2018 verdens første genredigerte barn ved hjelp av CRISPR.

© Shutterstock

CRISPR-verktøyet klippet ikke helt som forventet, og i stedet for den ønskede mutasjonen fikk jentene noen andre mutasjoner i CCR5, og forskerne har ikke har kartlagt hva slags effekt de har hatt.

Samtidig har genteknologien skapt minst en annen ekstra mutasjon et helt annet sted i DNA-et. Og noen forskere mener at He antagelig har oversett en rekke andre ekstra mutasjoner som gjemmer seg rundt omkring i tvillingenes DNA.

He kan altså ved en feil ha innført en rekke skadelige mutasjoner, som nå er til stede overalt i jentenes kropper – også i de kjønnscellene som kanskje en dag vil gi opphav til jentenes egne barn.

Forskere håper på heldig mutasjon

Saken om tvillingene har for alvor satt fokus på svakhetene til CRISPR og lagt en demper på den tidligere jubelen over den nye teknologien, men forskerne vet nå mye om hvor genredigeringen går galt.

Den mest utbredte versjonen av CRISPR bruker et enzym ved navn Cas9, som stammer fra bakterien Streptococcus pyogenes. Cas9 klipper bokstavelig talt DNA tvers over, så det oppstår to løse ender med helt rene snittflater.

Når DNA-et er klippet over, vil cellen forsøke å reparere skaden, men de rene snittflatene er en utfordring.

Dels kan cellen komme sette sammen de løse endene med helt andre biter av DNA som også har rene snittflater, slik at det dannes nye, uventede kombinasjoner av DNA-sekvenser, dels vil cellen ofte fjerne DNA-baser fra de løse endene eller tilsette nye baser til endene for å kunne lime de to ender sammen.

Resultatet er en endring i DNA-et som forskerne ikke helt har kontroll over. I store trekk er forskerne altså nødt til å håpe at de oppnår den ønskede mutasjonen i genet.

Suksessraten er avhengig av hvilke endringer de vil lage, men typisk har de bare hellet med seg i noen få prosent av de cellene som mottar CRISPR-behandlingen.

18 pasienter med lidelsen LCA10 får nå sprøytet CRISPR rett inn i øyet.

En lav suksessrate er akseptabelt når forskerne behandler celler i laboratoriet, der de nøye kan velge ut de få cellene med den riktige mutasjonen.

Mer problematisk er det når CRISPR skal sprøytes rett inn i pasienter med en genetisk sykdom. Her kan den lave suksessraten forhindre en virkelig effekt av behandlingen.

Kombinert med risikoen for utilsiktede mutasjoner andre steder i DNA-et kan en slik behandlingen vise seg å gjøre mer skade enn gagn.

CRISPR blir nå testet på pasienter med en bestemt type arvelig blindhet som kalles LCA10. Behandlingen skal rette en genfeil og gjøre det mulig for pasientene å se.

© Caters/Ritzau Scanpix

Ny CRISPR klipper forsiktig

Heldigvis arbeider flere forskere med å rette opp teknologiens svakheter. Et av de største gjennombruddene kommer fra kjemikeren David Liu, som har utviklet en ny og mer presis variant av CRISPR, som han kaller for prime editing.

Lius teknikk bruker en ny versjon av enzymet Cas9 som ikke klipper DNA helt over, men i stedet klipper halvveis igjennom – slik at bare den ene av de to strengene i DNA-et kappes.

Dermed skaper prime editing, i motsetning til tradisjonell CRISPR, ikke to løse ender, som ved en feil kan komme til å sette seg sammen med andre stykker DNA.

Dessuten tar med Cas9-enzymet med en arbeidstegning til en ny DNA-sekvens som forskeren ønsker å sette inn i genet, og et ekstra enzym som kan bygge den nye DNA-sekvensen ut fra tegningen.

Til slutt klipper Cas9 den andre strengen i DNA-et over, slik at den ønskede endringen også blir satt inn der.

Tradisjonell CRISPR klipper DNA-et tvers over og satser på at cellen samler bitene igjen og retter feilen i genet underveis. En ny variant av CRISPR kalt prime editing lager bare et hakk i DNA-et og printer deretter rettelsen rett inn i genet.

© Shutterstock

Gensaks lager hakk i genet

En ny versjon av gensaksen Cas9 utstyres med en lang RNA-sekvens. Den inneholder blant annet et element som guider gensaksen til det stedet i genet som forskerne vil endre. Gensaksen klipper i genet, men i motsetning til den gamle versjonen av saksen skjærer den ikke DNA-et helt over. I stedet kapper den bare den ene av DNA-ets to strenger, slik at det bare skapes et hakk.

© Shutterstock

Enzym printer nytt DNA i genet

RNA-sekvensen inneholder også en arbeidstegning til å bygge en DNA-sekvens som forskerne vil sette inn i genet. Den nye sekvensen blir printet rett inn i genet ved hjelp av enzymet revers transkriptase (RT), som er koblet på gensaksen.

© Shutterstock

Annen streng får kopi av endring

Et tredje element i den medbrakte RNA-sekvensen guider gensaksen over på den andre siden av genet, slik at den kan klippe over den andre DNA-­strengen. Når det er gjort, sørger cellen selv for å kopiere den DNA-sekvensen som er satt inn i den første DNA-strengen. Deretter inneholder begge strenger den ønskede sekvensen.

© Shutterstock

Endring påvirker kroppen permanent

Genet inneholder nå en helt ny sekvens av DNA-baser som kan påvirke cellen – og kanskje hele kroppen. Inngrepet kan for eksempel rette mutasjoner som ellers forårsaker sykdom. Den nye sekvensen blir nedarvet av begge cellens etterkommere når den deler seg, og endringen er derfor permanent.

I 2019 viste Liu hvordan han med prime editing kunne skifte ut en enkelt DNA-base i et gen med en suksessrate på opptil 55 prosent.

Dessuten kunne kjemikeren designe systemet slik at den fjernet eller satte inn hele sekvenser av DNA-baser – og dette skjedde med en suksessrate på helt opptil 78 prosent.

Og Lius teknikk blir allerede brukt av andre forskere. I 2020 brukte nederlandske forskere metoden til å rette genetiske feil i små biter av sykt vev som de hadde tatt fra pasienter og dyrket i laboratoriet.

Forskerne klarte å sette inn tre ekstra DNA-baser i genet DGAT1 og dermed fjerne den genetiske årsaken til en alvorlig, arvelig form for diaré som gjør det nesten umulig å ta opp næringsstoffer fra maten.

Genredigering unngår gener

Risikoen for at CRISPR skaper permanente skader i DNA-et, kan også senkes betydelig på en helt annen måte: ved å skape genetiske endringer uten å endre i selve genet.

Gener fungerer som arbeidstegninger for dannelsen av proteiner, og det endelig formålet med å redigere et gen er typisk å endre proteinet.

I 2017 utviklet biokjemikeren Feng Zhang en variant av CRISPR som klarer å endre proteinet ved å gripe inn i et trinn som ligger mellom avlesning av genet og produksjon av proteinet.

1303 patentsøknader der CRISPR inngikk, ble registrert globalt i 2017.

Når cellen danner et protein, oversetter den først det genet til en RNA-sekvens, som deretter bærer genets instruksjoner videre til cellens protein­fabrikk.

Zhangs nye teknikk retter i RNA-­sekvensen og ikke i selve genet, men oppnår samme resultat. Fordelen er at RNA, i motsetning til DNA, løpende brytes ned i cellen, så når forskerne stopper behandlingen, vil alle endringene forsvinne igjen, og cellen vil ikke ha permanente skader i arvematerialet.

Metoden vil egne seg godt til behandling av sykdommer som bare i perioder krever en endring i cellenes proteiner. Det gjelder for eksempel hodepine og andre former for smerte, der proteiner involvert i nervecellers smertesignaler midlertidig kan settes ut av spill.

Dannelsen av proteiner kan også påvirkes med en tredje ny CRISPR-variant, som verken retter i DNA- eller RNA-sekvenser.

I stedet fjerner den metylgrupper – små molekyler som klistrer seg til DNA-et og forhindrer at et gen blir oversatt til RNA og protein. Metylgruppenes blokkering kan forårsake sykdom, og ved å fjerne dem kan forskerne behandle sykdommen.

CRISPR retter feil i DNA-et, men ikke alle genetiske sykdommer skyldes feil i den genetiske koden. Folk med fragilt X-syndrom har for eksempel et feilfritt FMR1-gen – likevel virker ikke genet som det skal. Årsaken er en molekylær blokade av DNA-et, og en ny type CRISPR skal nå bryte ned blokaden.

© Shutterstock

Uønskede molekyler skrur av viktig gen

Fragilt X-syndrom, som blant annet kan medføre utviklingshemning, skyldes at såkalte metylgrupper dekker genet FMR1. Tildekningen skrur av genet, slik at cellen ikke kan danne det proteinet som genet koder for.

© Shutterstock

Fusjonert enzym sporer opp sykt DNA

Forskerne sender et modifisert CRISPR-verktøy inn i cellene. Det består av et stykke guide-RNA som kan spore opp FMR1-genet, samt et inaktivt Cas9-enzym, som er koblet til et annet enzym som kalles TET1.

© Shutterstock

Skarpt knivblad sabler ned blokade

TET1-enzymet fjerner metylgruppene fra genet. Når genet er ryddet, kan cellen igjen lese av koden og danne proteinet, som nå kan utføre sin normale oppgave i cellen.

Metoden har allerede blitt brukt i laboratoriet til å rense genet FMR1 for metylgrupper. Når dette genet er blokkert, kan det resultere i fragilt X-syndrom – en tilstand som blant annet kan føre til utviklingshemning.

Men metoden har et mye større potensial. Metylgrupper spiller en viktig rolle i alt fra autisme til kreft, og metoden til å fjerne dem kan føre til behandlinger som er utenkelige med tradisjonell CRISPR.

CRISPR sprøytes inn i øyet

Kappløpet for å forbedre CRISPR må gå raskt, for teknologien blir i større og større omfang testet på mennesker.

I mars 2020 innledet den amerikanske øyenlegen Mark Pennesi et forsøk der CRISPR sprøytes rett inn under øyets netthinne på en rekke pasienter som lider av en form for arvelig blindhet som kalles Leber kongenital amaurosis 10 (LCA10).

Lidelsen skyldes en medfødt mutasjon i genet CEP290.

CRISPR-behandlingen skal klippe ut mutasjonen av genet i pasientenes netthinne, og håpet er at pasientene får tilbake synet.

Metoden har vært lovende i mus, men det er fortsatt ingen resultater fra forsøket i mennesker. Forhåpentligvis virker den som planlagt, men det er en viss risiko for at den skaper nye uønskede mutasjoner i pasientene – slik det skjedde i He Jian-kuis’ kinesiske tvillinger.