From the smallest single-celled organism to the largest creatures on earth, every living thing is defined by its genes. The DNA contained in our genes acts like an instruction manual for our cells. Four building blocks called bases are strung together in precise sequences, which tell the cell how to behave and form the basis for our every trait. But with recent advancements in gene editing tools, scientists can change an organism’s fundamental features in record time. They can engineer drought-resistant crops and create apples that don’t brown. They might even prevent the spread of infectious outbreaks and develop cures for genetic diseases. CRISPR is the fastest, easiest, and cheapest of the gene editing tools responsible for this new wave of science. But where did this medical marvel come from? How does it work? And what can it do?
Pienimmistä yksisoluisista organismeista suurimpiin eläviin olentoihin jokaista eliötä määrittävät sen geenit. Geeniemme DNA on solujemme käyttämä ohjekirja. Neljästä rakennuspalikasta muodostuvat jaksot kertovat solulle, mitä tehdä ja muodostavat pohjan piirteillemme. Geenitekniikan edistymisen tuomilla uusilla työkaluilla tutkijat voivat nyt muuttaa eliön ominaisuuksia nopeasti. He voivat suunnitella kuivuutta kestäviä lajeja ja luoda omenia, jotka eivät tummu. He voivat jopa estää tartuntojen leviämistä ja hoitaa perinnöllisiä tauteja. CRISPR on nopein, helpoin ja halvin geenimuokkaustyökalu ja se on edistänyt uusinta tutkimusta. Mutta mistä tämä lääketieteen ihme on tullut? Kuinka se toimii? Ja mitä sillä voi tehdä?
Surprisingly, CRISPR is actually a natural process that’s long functioned as a bacterial immune system. Originally found defending single-celled bacteria and archaea against invading viruses, naturally occurring CRISPR uses two main components. The first are short snippets of repetitive DNA sequences called “clustered regularly interspaced short palindromic repeats,” or simply, CRISPRs. The second are Cas, or “CRISPR-associated” proteins which chop up DNA like molecular scissors. When a virus invades a bacterium, Cas proteins cut out a segment of the viral DNA to stitch into the bacterium’s CRISPR region, capturing a chemical snapshot of the infection. Those viral codes are then copied into short pieces of RNA. This molecule plays many roles in our cells, but in the case of CRISPR, RNA binds to a special protein called Cas9. The resulting complexes act like scouts, latching onto free-floating genetic material and searching for a match to the virus. If the virus invades again, the scout complex recognizes it immediately, and Cas9 swiftly destroys the viral DNA.
Yllättäen CRISPR on itse asiassa luonnollinen prosessi, joka on pitkään toiminut bakteerien immuunijärjestelmänä. Sen huomattiin alun perin puolustavan yksisoluisia eliöitä ja alkueläimiä virusten hyökkäyksiä vastaan. Luonnossa esiintyvä CRISPR käyttää kahta pääosaa. Ensimmäisenä ovat lyhyet jaksot toistuvia DNA.jaksoja, klustereina säännöllisesti esiintyviä lyhyitä palindromisia toistoja, joista lyhenne CRISPR tulee. Toisena tulee Cas eli CRISPR-assosioidut proteiinit, jotka leikkaavat DNA:n molekyyleja kuin sakset. Kun virus tunkeutuu bakteeriin, Cas-proteiinit leikkaavat pätkän viruksen DNA:ta sijoittaakseen sen bakteerin CRISPR-alueelle jossa ne tekevät kemiallisen kuvan infektiosta. Viruksen koodi kopioidaan sitten RNA-pätkiin. Tällä molekyylillä on monia rooleja soluissa, mutta CRISPR:n kohdalla RNA sitoutuu erityiseen proteiiniin Cas9. Tuloksena on yksiköitä, jotka tiedustelijan tavoin kiinnittyvät vapaana liikkuvaan geenimateriaaliin etsien virusta vastaavaa koodia. Jos virus iskee uudestaan, tiedustelija tunnistaa sen heti ja Cas9 tuhoaa viruksen DNA:n.
Lots of bacteria have this type of defense mechanism. But in 2012, scientists figured out how to hijack CRISPR to target not just viral DNA, but any DNA in almost any organism. With the right tools, this viral immune system becomes a precise gene-editing tool, which can alter DNA and change specific genes almost as easily as fixing a typo.
Monilla bakteereilla on tällainen puolustusmekanismi. Vuonna 2012 tutkijat keksivät, miten CRISPRin voi kaapata hyökkäämään ei vain viruksen DNA:ta vaan mitä tahansa DNA:ta vastaan. Oikeiden työkalujen avulla virustorjuntasysteemistä tulee tarkka geenimuokkaustyökalu, joka voi muuttaa DNA:ta ja vaihtaa tietyn geenin toiseksi helposti ja nopeasti.
Here’s how it works in the lab: scientists design a “guide” RNA to match the gene they want to edit, and attach it to Cas9. Like the viral RNA in the CRISPR immune system, the guide RNA directs Cas9 to the target gene, and the protein’s molecular scissors snip the DNA. This is the key to CRISPR’s power: just by injecting Cas9 bound to a short piece of custom guide RNA scientists can edit practically any gene in the genome.
Näin se toimii laboratoriossa: tutkijat suunnittelevat RNA:lle ohjeen, jolla se tunnistaa muutettavan geenin; ja liittävät sen Cas9:ään. Kuten viruksen DNA immuunijärjestelmässä opas-RNA ohjaa Cas9:n kohdegeeniin ja proteiinin molekyylisakset leikkaavat DNA:n. Tässä on CRISPR:n vahvuus: muunneltuun opas-RNAhan sidotun Cas9-proteiinin avulla tutkijat voivat helposti muokata mitä tahansa geeniä.
Once the DNA is cut, the cell will try to repair it. Typically, proteins called nucleases trim the broken ends and join them back together. But this type of repair process, called nonhomologous end joining, is prone to mistakes and can lead to extra or missing bases. The resulting gene is often unusable and turned off. However, if scientists add a separate sequence of template DNA to their CRISPR cocktail, cellular proteins can perform a different DNA repair process, called homology directed repair. This template DNA is used as a blueprint to guide the rebuilding process, repairing a defective gene or even inserting a completely new one.
Kun DNA on leikattu irti, solu yrittää korjata sitä. Yleensä nukleaasi-nimiset entsyymit korjaavat liitoskohtia ja yhdistävät päät jälleen. Tällaisessa korjausprosessissa, jossa päät yhdistetään ilman mallia, tapahtuu virheitä ja emäksiä voi tulla liikaa tai hävitä. Tuloksena on käyttökelvoton geeni, joka kytketään pois päältä. Jos tutkijat kuitenkin lisäävät erilliset malli-DNA:n pätkän CRISPR-cocktailiinsa, solun proteiinit voivat käyttää saamaansa mallia korjaamisen ohjaamiseen. Malli-DNA toimii kaavana, joka ohjaa jälleenrakennusta viallisen geenin korjaamiseksi tai kokonaan uuden geenin syöttämiseksi.
The ability to fix DNA errors means that CRISPR could potentially create new treatments for diseases linked to specific genetic errors, like cystic fibrosis or sickle cell anemia. And since it’s not limited to humans, the applications are almost endless. CRISPR could create plants that yield larger fruit, mosquitoes that can’t transmit malaria, or even reprogram drug-resistant cancer cells. It’s also a powerful tool for studying the genome, allowing scientists to watch what happens when genes are turned off or changed within an organism.
DNA:n kyky korjata virheitä tarkoittaa, että CRISPR:n avulla voidaan luoda uusia hoitomuotoja geneettisten sairauksien kuten sirppisoluanemian hoitoon. Koska tekniikka ei rajoitu ihmisiin, sovelluksia on loputtomasti, CRISPR:n avulla voitaisiin luoda suurihedelmäisiä kasveja; malariaa tartuttamattomia hyttysiä tai uudelleenohjelmoida syöpäsoluja, kun lääkkeet eivät enää toimi. Se on myös genomin tutkimiseen tehokas työkalu, jonka avulla tutkijat voivat tutkia, mitä tapahtuu, kun geeni on pois päältä tai muuttunut.
CRISPR isn’t perfect yet. It doesn’t always make just the intended changes, and since it’s difficult to predict the long-term implications of a CRISPR edit, this technology raises big ethical questions. It’s up to us to decide the best course forward as CRISPR leaves single-celled organisms behind and heads into labs, farms, hospitals, and organisms around the world.
CRISPR ei ole vielä täydellinen. Muutokset eivät aina ole juuri niitä, mitä haluttiin, ja koska CRISPR-tekniikan pitkäaikaisia seurauksia on vaikea ennustaa, tekniikka herättää myös suuria eettisiä kysymyksiä. Meidän on päätettävä, mikä on paras toimintasuunta, kun CRISPR jättää taakseen yksisoluiset ja päättyy laboratorioihin, farmeille, sairaaloihin ja eliöihin ympäri maailmaa.