Gēnu redaktori

Nevienam nav drosmes to pateikt, tomēr, ja vien mēs varētu izveidot labākus cilvēkus, pateicoties zināšanām par to, kā pievienot gēnus, kāpēc gan mums to nedarīt?

Džeimss Votsons, molekulārbiologs, Nobela prēmijas laureāts

“Ķīniešu zinātnieki rediģē cilvēka embrija gēnus, tādējādi raisot bažas” – ziņa ar šādu virsrakstu parādījās laikraksta The New York Times 2015. gada 23. aprīļa numurā. To pašu ziņu ar līdzīgu virsrakstu šajā dienā publicēja arī The Guardian un citi lielie pasaules masu mediji. Ziņā bija runa par Suņa Jatsena Universitātes (Guandžou) zinātnieka Dzjuņdzju Huana un viņa līdzstrādnieku veikto pētījumu, kura rezultātus pirms dažām dienām, 18. aprīlī, bija publicējis žurnāls Protein & Cell. Pētījuma mērķis bija noskaidrot, vai nesen radīto gēnu rediģēšanas tehniku CRISPR/Cas9 var izmantot, lai novērstu ģenētisku defektu embrijam un tādējādi apstādinātu slimību, pirms tā sākusi izpausties. Šim nolūkam zinātnieki izmantoja 86 defektīvus embrijus, kuri tika iegūti no mākslīgās apaugļošanas klīnikas. Tie bija triploīdi embriji, t.i., tādi, kuriem ir nevis divi 23 hromosomu komplekti, kā tas parasti ir cilvēkiem, bet gan trīs. Proti, šiem embrijiem bija 69 hromosomas, un tādēļ tie nebija dzīvotspējīgi. Šādi embriji pētījumam tika izvēlēti tāpēc, lai izvairītos no ētiska rakstura iebildumiem pret pētījuma veikšanu. Zinātnieki mēģināja izlabot gēnu, kas atbild par bēta globīna veidošanos. Bēta globīns ir hemoglobīna proteīna sastāvdaļa, bet hemoglobīns nodrošina ķermeņa apgādi ar skābekli. Cilvēki ar bojātu bēta globīna gēnu cieš no bēta talasēmijas – slimības, kas var izraisīt arī nāvi.

Pētījuma rezultāti nebija iepriecinoši. Pārbaudot ģenētiski modificētos embrijus, atklājās, ka cerētās izmaiņas notikušas tikai četros no 68 embrijiem, kas nozīmēja, ka gēnu rediģēšanas efektivitāte bijusi ļoti zema – tikai 5%. Tomēr tas nebija vienīgais izmantotās metodes trūkums. Vairākiem embrijiem konstatēja izmaiņas pavisam citos gēnos, bet citiem bija izveidojies mozaīcisms: viņu organismā uzgāja šūnas ar dažādi rediģētām bēta globīna gēna versijām. Piemēram, vienā embrijā atrada pat četras atšķirīgas DNS sekvences un tikai viena no tām bija pareiza. Visu minēto iemeslu dēļ arī paši zinātnieki atzina, ka šī gēnu rediģēšanas metode vēl nav pietiekami nobriedusi klīniskam lietojumam.

Zinātnieku aprindās Huana un viņa kolēģu pētījums raisīja diskusijas, jau pirms bija publicēti tā rezultāti. Kā vēlāk stāstīja vairāki šīs jomas speciālisti, baumas par šāda veida pētījumu eksistenci klīda jau kādu laiku iepriekš un daudzi gaidīja to publiskošanu. Neilgi pirms pētījuma laišanas klajā žurnāls Science publicēja vairāku pasaules vadošo šīs jomas zinātnieku aicinājumu pagaidām no šāda veida pētījumu veikšanas atturēties. Līdzīga veida bažas marta beigās žurnālā Nature pauda korporācijas Sangamo BioSciences prezidents Edvards Lanfjers un kolēģi. Jāsaka, ka Huana ceļš līdz rezultātu publicēšanai nebūt nebija līdzens. Iesniegto rakstu noraidīja gan jau minētais Nature, gan arī prestižais Science. Abos gadījumos atteikuma iemesls bija ētiska, nevis zinātniska rakstura apsvērumi. To vēlāk atzina arī abu minēto žurnālu pārstāvji. Diezgan piesardzīgi savos izteikumos bija arī žurnāla Protein & Cell izdevēji. Viņi norādīja, ka rakstu publicējuši galvenokārt tādēļ, lai pievērstu uzmanību šāda veida pētījumiem. “Šajā neparastajā situācijā redakcijas lēmumu publicēt pētījuma rezultātus nevajadzētu uzlūkot kā šādas prakses atbalstīšanu vai iedrošinājumu veikt līdzīgus pētījumus,” norādīja viens no žurnāla redaktoriem. Savukārt žurnāla galvenais redaktors Dzihe Žao piebilda, ka redakcijā esot bijušas “nopietnas diskusijas par šī pētījuma ētiskajiem aspektiem. Mēs paredzējām, ka cilvēku viedokļi atšķirsies, tomēr pētījums bija jāpublicē, lai par šiem jautājumiem sāktos diskusija”.

Raksts pievērsa ne tikai plašu masu mediju uzmanību. Diezgan drīz savu attieksmi steidzās paust arī daudzas zinātniskas organizācijas un vairāku valstu valdību aģentūras. Piemēram, Amerikas Gēnu un šūnu terapijas biedrība nāca klajā ar paziņojumu, ka viņi atbalsta “stingru nostāju pret cilvēka šūnu gēnu rediģēšanu vai modificēšanu ar nolūku radīt dzīvotspējīgas apaugļotas olšūnas ar pārmantojamām dzimumšūnu izmaiņām”. Šo paziņojumu atbalstīja Starptautiskā Cilmes šūnu pētniecības biedrība. Baraka Obamas administrācijas Zinātnes un tehnoloģiju biroja vadītājs Džons Holdrens bloga ierakstā pauda ASV administrācijas viedokli: “Administrācija uzskata, ka cilvēka dzimumšūnu līnijas izmaiņas klīniskos nolūkos ir robeža, kuru šobrīd pārkāpt nevajadzētu.” Līdzīgu nostāju pauda arī ASV Nacionālā veselības institūta direktors Frānsiss Kolinss. Viņš arī piebilda, ka aģentūra nepiešķirs valsts finansējumu pētījumiem, kas paredz cilvēka embriju gēnu rediģēšanu. Savukārt ASV izlūkdienesti savā ziņojumā Senātam genoma rediģēšanu minēja kā vienu no sešiem masu iznīcināšanas ieročiem, kuru attīstība var nākotnē apdraudēt valsts drošību.

Šajā brīdī kāds varētu vaicāt: kāpēc šāds pētījums izraisīja šāda mēroga reakciju? Lai to labāk saprastu, sākumā būtu nedaudz jāaplūko, kas slēpjas zem mīklainā akronīma CRISPR un ko īsti nozīmē rediģēt jeb modificēt cilvēka dzimumšūnu līniju.

CRISPR

CRISPR ir akronīms no clustered regularly interspaced short palindromic repeats jeb latviski – atkārtotu palindromisku sekvenču un starpsekvenču sakopojumi. Domāju, nav vajadzības skaidrot, kāpēc pat zinātnieki šajā gadījumā priekšroku dod akronīmam. CRISPR ir īpašs DNS apgabals, kurā atrodas noteikti organizēta DNS sekvence – virkne ar īpašām palindromiskām, atkārtotām nukleotīdu sekvencēm¹, starp kurām atrodas garākas DNS starpsekvences (spacer). Šādi komplekti (palindroms–starpsekvence–palindroms) vienā un tajā pašā (piemēram, baktērijas genoma) DNS vienkopus un virknē var būt vairāki (no 1 līdz 20 un pat vairāk), tāpēc tos arī sauc par “cluster” jeb sakopojumu.

CRISPR sekvences zinātnieku uzmanības lokā nonāca jau 1987. gadā, kad viņi pētīja zarnu nūjiņas (E.coli), tomēr tad zinātniekiem nebija skaidrības par šīs sekvences funkcijām. Hipotēze par šo sekvenču nozīmi baktēriju spējā aizstāvēties pret tām nevēlamiem DNS saturošiem aģentiem (vīrusiem, plazmīdām u.c.) tika izteikta 2005. gadā, salīdzinot dažādu baktēriju genomu atkārtotās sekvences. Eksperimentāli pierādījumi šim pieņēmumam sekoja 2007. gadā, kad pārtikas produktu kompānijas Danisco zinātnieki atklāja, ka CRISPR sekvenču struktūra nosaka jogurta baktērijas Streptococcus thermophilus izturību pret baktēriju vīrusiem jeb fāgiem. Baktēriju genomu analīze un in vitro eksperimenti pārliecinoši pierādīja, ka starpsekvences darbojas kā baktēriju “imunoloģiskā atmiņa”, kas baktērijai ļauj pazīt vīrusus un atvairīt to uzbrukumus. Tāpat jauni CRISPR atkārtojumi tiek iekļauti baktēriju genomā, ja notikusi inficēšanās ar vīrusu. Būtisks CRISPR sistēmas elements ir proteīns Cas9, kas šķeļ “šūnai svešās” (piemēram, vīrusa) DNS vietā, kuru norāda baktērijas CRISPR sekvences kodēti RNS fragmenti. Nedaudz vēlāk, 2012. gadā, tika pierādīts, ka CRISPR sistēmu var pārcelt no vienas baktērijas uz citu un tā darbojas identiski. Kopš tā laika Cas9 var tikt izmantots jebkurā organismā (no baktērijas līdz pat cilvēka šūnām), lai šķeltu DNS jebkurā tā vietā (atbilstoši starpsekvencē norādītajai informācijai). Viens no šīs metodes pielietojumiem ir genomu rediģēšana. Tehniski tam ir nepieciešami tikai divi komponenti – jau minētais proteīns un speciāli veidota DNS, kas kodē attiecīgo RNS fragmentu, kurš darbosies kā gids, DNS šķeļošo proteīnu nogādājot vietā, kur jāveic iegriezums. Šo gēnu rediģēšanas metodi tad arī sauc par CRISPR/Cas9 sistēmu, lai gan saīsinot to bieži vien dēvē vienkārši par CRISPR.

Pēc tam, kad 2013. gadā ar šīs metodes palīdzību tika veiksmīgi rediģēts peles un pēc tam arī cilvēka šūnu genoms, šī metode kļuva arvien populārāka, bet ķīniešu zinātnieku eksperiments ar cilvēka embrijiem tai piesaistīja arī plašāku sabiedrības uzmanību. Žurnāls Science 2015. gadā CRISPR raksturoja kā gada izrāvienu zinātnē. Kornela Universitātes Itakā ģenētiķis Džons Šimenti norāda, ka CRISPR ir nozīmīgākais notikums dzīvības zinātnēs kopš polimerāzes ķēdes reakcijas (PĶR) metodes ieviešanas 1985. gadā, bez kuras mūsdienu pētniecība ģenētikā vairs nav iedomājama. Daudzi jomas pārstāvji kopš CRISPR atklāšanas savos raksturojumos nav bijuši pieticīgi, sakot, ka šī metode ir revolucionizējusi bioloģiju un pavisam drīz izraisīs revolūciju arī medicīnā. Mazliet piezemētāks savā vērtējumā ir ietekmīgais amerikāņu ģenētiķis Džordžs Čērčs, kurš pats devis būtisku ieguldījumu CRISPR sistēmas pilnveidošanā. Viņš norāda, ka CRISPR nebūt nav jāuzlūko kā revolūcija. Galu galā, CRISPR ir tikai viena no astoņām gēnu rediģēšanas metodēm, kas šobrīd ir zinātnieku rīcībā. Čērčs atzīst, ka noteiktos aspektos tā ir krietni labāka par jau esošajām, tomēr virknē gadījumu tā atpaliek no metodēm, kas jau tiek lietotas. Kādas tad ir CRISPR priekšrocības? Daudzi autori kā vienu no būtiskākajiem min apsvērumu, ka šī metode ir demokratizējusi gēnu rediģēšanu. Salīdzinājumā ar citām metodēm CRISPR ir krietni lētāka un vienkāršāka. Piemēram, lai iegādātos cinka pirkstu nukleāzes enzīmus (līdz šim viena no visvairāk izmantotajām gēnu rediģēšanas metodēm), laboratorijai ir jārēķinās ar vismaz 5000 dolārus lieliem tēriņiem. Iepretim tam CRISPR var maksāt tikai 30 dolārus. Turklāt, lai lietotu CRISPR, pietiek ar elementārām zināšanām mikrobioloģijā. Šī iemesla dēļ CRISPR pašlaik izmanto ne tikai daudzas pasaules akadēmiskās un komerciālās pētniecības laboratorijas, bet arī parasti bioloģijas entuziasti, kuri par aptuveni simt dolāriem CRISPR komplektu var pasūtīt internetā. Par laimi, šie komplekti dod iespēju modificēt tikai baktēriju un raugu genomus.

Iespējas, kādas tīri teorētiski un nu jau arī praktiski sniedz CRISPR, ir milzīgas. Kā raksta Dženifere Daudna, viena no CRISPR atklājējām, bioķīmijas un molekulārās bioloģijas profesore Kalifornijas Universitātē Bērklijā, “CRISPR dod mums iespēju radikāli un neatgriezeniski izmainīt biosfēru, kuru apdzīvojam, piedāvājot veidu, kā dzīvības molekulas pārrakstīt pēc mūsu pašu prāta”. Gēnu rediģēšanas tehnoloģijas pielietojums var būt ļoti dažāds. Viens no publiski vismazāk apspriestajiem ir pētniecība, lai gan CRISPR un citas gēnu rediģēšanas sistēmas šobrīd ir svarīgs pētniecības instruments daudzās laboratorijās. Ar tā palīdzību zinātnieki pēta dažādu gēnu funkcijas un organismu īpašības, piemēram, kā attīstās vēžveidīgo skelets vai kā Meksikas salamandra reģenerē savus locekļus. Izmantojot gēnu rediģēšanas metodes, zinātnieki rada dažādu slimību modeļus dzīvniekos, t.i., rada ģenētiski izmainītus dzīvniekus, lai pētītu slimības, no kurām cieš cilvēki. Gēnu rediģēšanu var izmantot arī lauksaimniecībā un lopkopībā. Piemēram, 2004. gadā zinātnieki atklāja, ka miežiem, kas ir noturīgi pret miltrasu, ir noteikta veida mutācija Mlo gēnā. Tas lika domāt, ka līdzīga veida saistība starp šo mutāciju un noturību pret miltrasu varētu būt spēkā arī citu augu gadījumā. 2014. gadā Ķīnas Zinātņu akadēmijas zinātnieki, izmantojot arī CRISPR, izmainīja sešas Mlo gēna kopijas kviešos, tādā veidā radot kviešus, kuriem miltrasa vairs nekaitē. Tas ir tikai viens piemērs, kā gēnu izmainīšana var noderēt lauksaimniecībā. Bet runa nav tikai par augu aizsargāšanu no slimībām. Dažos gadījumos, izmainot augu genomu, var iegūt veselīgāku uzturu. Piemēram, viens no būtiskākajiem sojas eļļas trūkumiem ir augstais transtaukskābju līmenis tajā, bet transtaukskābju lietošana ir saistīta ar paaugstinātu holesterīna līmeni un sirds un asinsvadu slimībām. Pirms dažiem gadiem kompānija Calyxt, lietojot TALEN² gēnu rediģēšanas tehnoloģiju, izmainīja divus sojas pupiņu gēnus, kā rezultātā tika iegūta sojas eļļa ar krietni samazinātu neveselīgo taukskābju līmeni, un šī eļļa šajā ziņā vairs būtiski neatšķiras no olīveļļas. Gēnu rediģēšanas tehnoloģijai ir plašas perspektīvas arī lopkopībā. Zinātniekiem paveras iespējas radīt, piemēram, cūkas, kas ir noturīgas pret Āfrikas cūku mēri, govis, kurām nav ragu, vai vistas, kas dēj alerģiju neizraisošas olas, un tamlīdzīgi. Atgriežoties pie medicīnas, noteikti jāpiemin arī zinātnieku centieni ar gēnu rediģēšanas metodēm “cilvēciskot” dažus gēnus cūkas genomā, kas pavērtu iespēju ksenotransplantācijai, proti, dotu iespēju cilvēkiem pārstādīt orgānus no ģenētiski pārveidotas cūkas organisma.

Šis un arī iepriekš minētie gēnu rediģēšanas tehnoloģijas pielietojuma veidi pavisam noteikti liek uzdot būtiskus ētiskus jautājumus. Tomēr, atgriežoties pie jautājuma par ķīniešu zinātnieku pētījuma radīto ažiotāžu, būtu jārunā par gēnu rediģēšanas tehnoloģiju pielietošanu ārstēšanā jeb, precīzāk, par gēnu terapiju.

Gēnu terapija

Līdz pat 20. gadsimta beigām slimības varēja ārstēt vai nu ar medikamentiem, vai ar ķirurģisku iejaukšanos. 20. gadsimta beigās, kad zinātniekiem radās arvien lielāka izpratne par to, kā dažādi ģenētiski faktori ietekmē cilvēka organisma darbību, un pavērās iespējas veikt izmaiņas cilvēka genomā, parādījās konceptuāli jauna ārstēšanas metode – gēnu terapija. Pavisam vienkārši izsakoties, gēnu terapija ir ārstēšanas metode, kas slimību ārstē jeb novērš tās rašanos, iedarbojoties uz slimību izraisošajiem ģenētiskajiem faktoriem. Pirmo reizi gēnu terapija cilvēkam tika lietota 1990. gadā, kad Frenčs Andersons ar kolēģiem no ASV Nacionālā veselības institūta mēģināja izārstēt četrus gadus vecu pacienti Ašanti Desilvu, kura slimoja ar iedzimtu imūndeficītu ADA-SCID, kas viņu padarīja neaizsargātu pret jebkuru infekciju. Slimības cēlonis ir noteikta gēna mutācija, kuras rezultātā baltie asinsķermenīši nespēj pareizi funkcionēt. Ārsti paņēma pacientes baltos asinsķermenīšus un tajos ievietoja nemutētas gēna versijas, bet izlabotās šūnas vēlāk atkal ievadīja pacientes ķermenī. Diemžēl šīs terapijas rezultāti tā arī palika neskaidri. Ašanti stāvoklis uzlabojās, tomēr, tā kā viņa šajā laikā lietoja arī citas ārstniecības metodes, nevar pateikt, tieši kurai terapijai šos nopelnus piedēvēt. Neskatoties uz to – un kā jau tas bieži notiek jaunu tehnoloģiju parādīšanās sākumposmā –, zinātnieki bija noskaņoti visai cerīgi. Optimismu gan krietni mazināja divi gadījumi, kuri mūsdienās tiek minēti gandrīz ikvienā publikācijā par gēnu terapijas vēsturi. Viens no tiem ir Džesija Gelsingera gadījums. Džesijs Gelsingers slimoja ar iedzimtu aknu slimību: viņa asinīs uzkrājās pārāk liels amonjaka daudzums. 1991. gadā viņš piekrita piedalīties 1. fāzes klīniskajā pētījumā Pensilvānijas Universitātē, kura mērķis bija pārbaudīt gēnu terapijas metodes drošumu. Ārsti pierunāja pacientu piekrist dalībai pētījumā, sakot, ka sliktākais, kas viņam draud, ir pavadīt vienu nedēļu ar gripai līdzīgiem simptomiem, kurus var izraisīt adenovīrusu injicēšana aknā. Adenovīrusi tiek izmantoti kā vektori, t.i., nesēji, ar kuru palīdzību rediģētās gēna versijas var nogādāt vajadzīgajā vietā. Tomēr pavisam drīz pēc injekcijas Džesijam Gelsingeram radās elpošanas problēmas, pārstāja darboties akna un nieres, viņš ieslīga komā un pēc četrām dienām nomira.