Slut med sjuskefejl i dine gener

Siden 2018 har to kinesiske piger levet med en række fejl i deres dna – fejl, som blev til i et forsøg med genteknikken CRISPR. Med tre nye værktøjer vil forskere nu forhindre flere uheld og føre genredigering ind i en ny tidsalder.

Siden 2018 har to kinesiske piger levet med en række fejl i deres dna – fejl, som blev til i et forsøg med genteknikken CRISPR. Med tre nye værktøjer vil forskere nu forhindre flere uheld og føre genredigering ind i en ny tidsalder.

Claus Lunau & Shutterstock

Genmodificerede mennesker. For få år siden var det ren science fiction. I dag er det en realitet, og årsagen er CRISPR – en simpel genteknologisk opfindelse, der på under et årti har skabt en af de største revolutioner i videnskabens historie.

CRISPR består af en molekylær saks, som forskerne kan programmere til at opsøge et bestemt gen og klippe det over og dermed ændre vores dna permanent.

Teknikken så for alvor dagens lys i 2012, og allerede få år efter indgik CRISPR årligt i tusindvis af videnskabelige undersøgelser og hundredvis af patentansøgninger.

Med sig bragte den nye teknologi håb om længe ventede kure mod genetiske sygdomme. Men det genteknologiske vidunder er nu snublet over sine egne ben.

De lovende resultater fik i 2018 en kinesisk forsker til at afprøve teknikken på menneskefostre.

Resultatet var et par tvillinger, som i dag bærer på gener med egenskaber, de ellers ikke ville have haft.

Samtidig er tvillingerne et levende bevis på, at genteknikken har alvorlige svagheder, som kan give livsvarige mén.

Genværktøjet CRISPR kan ændre i dit dna og er blevet hyldet som fremtidens mirakelkur mod arvelige sygdomme, men den populære teknologi er upræcis og kan lave fejl i generne.

© Shutterstock

Gensaks klipper dna midtover

CRISPR-metoden omfatter typisk enzymet Cas9 (grå) og en kort sekvens af rna (gul). Rna’et guider enzymet til et bestemt sted i et gen (rødt), og enzymet klipper derefter genet midtover.

© Shutterstock

Forskere mister kontrollen

Cellen reparerer selv det åbne brud ved at tilføje eller fjerne dna-baser (grå) fra bruddet og dermed lime enderne sammen. Forskerne har ingen kontrol over reparationen, og fejl kan let opstå.

Trods problemerne bliver CRISPR fortsat testet på mennesker, og forskerne knokler derfor for at opdatere teknikken, så den ikke efterlader forsøgspersoner med skader i deres dna.

I alt er tre opdateringer nu klar til at bringe CRISPR tilbage på rette spor.

Dødeligt våben blev en succes

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

Bakterier har brugt systemet i millioner af år som et effektivt våben mod indtrængende virus – et våben, der kan målrettes mod indtrængeren og klippe dens dna i stykker.

Elementer af CRISPR blev opdaget af forskere allerede i 1987, men først 25 år senere gik dets potentiale op for forskerne.

Biokemikeren Jennifer Doudna og mikrobiologen Emmanuelle Charpentier var i 2012 de første til at udnytte bakteriernes våben til at rette i gener.

3917 videnskabelige undersøgelser om CRISPR blev udgivet i 2018.

CRISPR består af et enzym, som kan klippe dna over, og et stykke rna, der kan guide enzymet til en bestemt dna-sekvens – og ved at tilpasse rna-stykket kunne forskerne få enzymet til at klippe i præcis det gen, som de ønskede.

Året efter, i 2013, videreudviklede biokemikeren Feng Zhang teknikken, så det i et vist omfang også blev muligt at indsætte en ny, designet dna-sekvens i det hul, som enzymet havde klippet.

Denne nye funktion bliver dog langtfra altid brugt – blandt andet fordi det stadig er usikkert, hvor effektiv den er. I stedet overlader forskerne det ofte til cellen selv at reparere hullet og skabe en bestemt ændring i genet.

Metoden var knap nok opfundet, før forskerne begyndte at teste den på planter og dyr.

I 2014 kurerede amerikanske forskere mus for stofskiftesygdommen tyrosinæmi ved at ændre i genet Fah i leverceller på syge museunger.

Samme år rettede et andet hold forskere i appelsiners PDS-gen, som styrer, hvordan frugterne modner.

CRISPR laver permanente ændringer i dna’et, og eventuelle sjuskede fejl bliver hængende resten af livet. En ny teknik omgår problemet ved at redigere gener uden på noget tidspunkt at røre dna’et.

© Shutterstock

Genetisk kode kopieres til rna

Cellen oversætter dna’et i et gen (til venstre) til rna (i midten), som derefter oversættes til et protein (til højre). Aflæsning af genet SCN9A fører fx til dannelsen af proteinet NaV1.7, som er vigtigt for smertefølelse.

© Shutterstock

Enzymer guides hen til rna-sekvens

Forskerne kobler enzymerne Cas13 (gråt) og APOBEC1 (blåt) sammen og udstyrer dem med et stykke rna (gult). Det guider enzymerne hen til den rna-sekvens (rød), der skaber proteinet NaV1.7.

© Shutterstock

Skalpel omdanner et bogstav til et andet

Enzymerne lægger sig tæt op ad rna-sekvensen, og enzymet APOBEC1 skærer nu i den ene af rna’ets baser, sådan at det ene bogstav i koden bliver ændret fra et C til et U.

© Shutterstock

Ny kode giver smerteløst protein

Cellen oversætter den ændrede rna-kode til et protein, men ændringen i rna’et betyder, at proteinet (til højre) også er ændret – og det nye protein hæmmer smertesignaler.

CRISPR var så stor en succes, at kinesiske forskere allerede i 2016 tog skridtet videre til mennesker. Forskerne tog immunceller fra kræftpatienter, ændrede cellernes gener i laboratoriet og sprøjtede de genredigerede celler ind i patienterne igen.

Forsøget viste, at de genredigerede immunceller er ufarlige for kroppen – men det er stadig uvist, om cellerne kan slå kræften effektivt ned.

Dette første forsøg i mennesker var et stort skridt, men det var et relativt forsigtigt skridt. CRISPR blev sprøjtet ind i celler, som var taget ud af patienternes kroppe – altså ikke direkte ind i patienten – og kun en lille del af patientens celler fik ændret deres dna.

CRISPR laver fejl i babyer

Det ændrede sig i 2018, da den kinesiske biofysiker He Jiankui for første gang skabte mennesker, som var genredigerede fra top til tå.

Hans mål var at skabe børn, som var resistente over for hiv-virus. I befrugtede ægceller fra en donor ville han ved hjælp af CRISPR skabe en bestemt mutation i genet CCR5.

Mutationen findes helt naturligt hos nogle mennesker – primært euro-pæere – og giver hel eller delvis beskyttelse mod hiv.

I begyndelsen af 2018 gik han i gang, og i oktober samme år blev verdens første genredigerede babyer født – et par tveæggede tvillingepiger.

Forskere verden over var i chok. He Jiankui blev idømt tre års fængsel for uetisk forskning, men en detaljeret rapport over hans forsøg blev aldrig offentliggjort.

En række lækkede oplysninger tyder dog på, at forskeren måske aldrig nåede sit mål: at gøre tvillingerne resistente over for hiv.

Forskeren He Jiankui skabte i 2018 verdens første genredigerede børn ved hjælp af CRISPR

© Shutterstock

CRISPR-værktøjet klippede ikke helt som forventet, og i stedet for den ønskede mutation fik pigerne nogle andre mutationer i CCR5, hvis effekt forskerne endnu ikke har kortlagt.

Samtidig har genteknologien skabt mindst en anden ekstra mutation et helt andet sted i dna’et. Og nogle forskere mener, at He Jiankui formentlig har overset en række andre ekstra mutationer, der gemmer sig rundt omkring i tvillingernes dna.

He Jiankui kan altså ved en fejl have indført en række skadelige mutationer, som nu er til stede overalt i pigernes kroppe – inklusive i de kønsceller, som måske en dag vil give ophav til pigernes egne børn.

Forskere håber på heldig mutation

Sagen om tvillingerne har for alvor sat fokus på CRISPR’s svagheder og lagt en dæmper på den tidligere jubel over den nye teknologi, men forskerne har en god idé om, hvor genredigeringen går galt.

Den mest udbredte version af CRISPR benytter et enzym ved navn Cas9, som stammer fra bakterien Streptococcus pyogenes. Cas9 klipper bogstavelig talt dna midtover, så der opstår to løse ender med helt rene snitflader.

Når dna’et er klippet over, vil cellen forsøge at reparere skaden, men de rene snitflader er en udfordring.

Dels kan cellen komme til at sætte de løse ender sammen med helt andre stykker dna, som også har rene snitflader, så der dannes nye, uventede kombinationer af dna-sekvenser, dels vil cellen ofte fjerne dna-baser fra de løse ender eller tilsætte nye baser til enderne for bedre at kunne lime de to ender sammen.

Resultatet er en ændring i dna’et, som forskerne ikke rigtig har kontrol over. I store træk er forskerne altså nødt til blot at håbe på, at de opnår den ønskede mutation i genet.

Deres succesrate afhænger af, hvilke ændringer de vil lave, men typisk har de kun heldet med sig i nogle få procent af de celler, som modtager CRISPR-behandlingen.

18 patienter med lidelsen LCA10 får nu sprøjtet CRISPR direkte ind i øjet.

En lav succesrate er acceptabel, når forskerne behandler celler i laboratoriet, hvor de nøje kan udvælge de få celler med den rigtige mutation.

Mere problematisk er det, når CRISPR skal sprøjtes direkte ind i patienter med en genetisk sygdom. Her kan den lave succesrate forhindre en reel effekt af behandlingen.

Kombineret med risikoen for utilsigtede mutationer andre steder i dna’et kan en sådan behandling vise sig at gøre mere skade end gavn.

CRISPR bliver nu testet på patienter med en bestemt type arvelig blindhed kaldet LCA10. Behandlingen skal rette en genfejl og gøre det muligt for patienterne at se.

© Caters/Ritzau Scanpix

Ny CRISPR klipper forsigtigt

Heldigvis knokler flere forskere for at eliminere teknikkens alvorligste svagheder. Et af de største gennembrud kommer fra kemikeren David Liu, der har udviklet en ny og mere præcis variant af CRISPR, som han kalder for prime editing.

Lius teknik benytter en ny version af enzymet Cas9, som ikke klipper dna midtover, men i stedet klipper halvvejs igennem – sådan at kun den ene af de to strenge i dna’et kappes.

Dermed skaber prime editing, i modsætning til traditionel CRISPR, ikke to løse ender, som ved en fejl kan komme til at sætte sig sammen med andre stykker dna.

Desuden medbringer Cas9-enzymet en arbejdstegning til en ny dna-sekvens, som forskeren ønsker at sætte ind i genet, og et ekstra enzym, som kan bygge den nye dna-sekvens ud fra tegningen.

Til sidst klipper Cas9 den anden streng i dna’et over, så den ønskede ændring også bliver sat ind der.

Traditionel CRISPR klipper dna’et midtover og satser på, at cellen samler stykkerne igen og retter fejlen i genet undervejs. En ny variant af CRISPR kaldet prime editing laver kun et hak i dna’et og printer derefter rettelsen direkte ind i genet.

© Shutterstock

Gensaks laver hak i genet

En ny version af gensaksen Cas9 (grå) udstyres med en lang rna-sekvens. Den indeholder bl.a. et element (gult), der guider gensaksen hen til det sted i genet (rødt), som forskerne vil ændre.
Gensaksen klipper i genet, men i modsætning til den gamle version af saksen skærer den ikke dna’et helt over. I stedet kapper den kun den ene af dna’ets to strenge, så der blot skabes et hak.

© Shutterstock

Enzym printer nyt dna i genet

Rna-sekvensen indeholder også en arbejdstegning (blå) til at bygge en dna-sekvens, som forskerne vil sætte ind i genet. Den nye sekvens bliver printet direkte ind i genet ved hjælp af enzymet revers transkriptase (RT) (blå cirkel), som er koblet på gensaksen.

© Shutterstock

Anden streng får kopi af ændring

Et tredje element i den medbragte rna-sekvens (grønt) guider gensaksen over på den anden side af genet, så den kan klippe den anden dna-streng over. Når det er gjort, sørger cellen selv for at kopiere den dna-sekvens, som er sat ind i den første dna-streng. Herefter inde-holder begge strenge den ønskede sekvens.

© Shutterstock

Ændring påvirker kroppen permanent

Genet indeholder nu en helt ny sekvens af dna-baser (blå), som kan påvirke cellen – og måske hele kroppen. Indgrebet kan fx rette mutationer, som ellers forårsager sygdom. Den nye sekvens bliver nedarvet af begge cellens efterkommere, når den deler sig, og ændringen er derfor permanent.

I 2019 viste David Liu, hvordan han med prime editing var i stand til at udskifte en enkelt dna-base i et gen med en succesrate på op til 55 procent.

Derudover kunne kemikeren designe systemet, sådan at det fjer-nede eller indsatte hele sekvenser af dna-baser – og dette skete med en succesrate på helt op til 78 procent.

Og Lius teknik bliver allerede brugt af andre forskere. I 2020 brugte hollandske forskere metoden til at rette genetiske fejl i små stykker af sygt væv, som de havde taget fra patienter og dyrket i laboratoriet.

Forskerne formåede at indsætte tre ekstra dna-baser i genet DGAT1 og dermed fjerne den genetiske årsag til en alvorlig, arvelig form for diarré, som gør det næsten umuligt at optage næringsstoffer fra føden.

Genredigering undgår gener

Risikoen for, at CRISPR skaber permanente skader i dna’et, kan også sænkes på en helt anden måde: ved at skabe genetiske forandringer uden at ændre i selve genet.

Gener fungerer som arbejdstegninger for dannelsen af proteiner, og det ultimative formål med at redigere et gen er typisk at ændre proteinet.

I 2017 udviklede biokemikeren Feng Zhang en variant af CRISPR, som formår at ændre proteinet ved at gribe ind i et trin, som ligger mellem aflæsning af genet og fremstilling af proteinet.

1303 patentansøgninger, hvor CRISPR indgik, blev registreret globalt i 2017.

Når cellen danner et protein, oversætter den først det pågældende gen til en rna-sekvens, som derefter bærer genets instruktioner videre til cellens proteinfabrik.

Zhangs nye teknik retter i rna-sekvensen og ikke i selve genet, men opnår samme resultat. Fordelen er, at rna i modsætning til dna løbende nedbrydes i cellen, så når forskerne stopper behandlingen, vil alle deres ændringer forsvinde igen, og cellen vil ikke have permanente skader i sit arvemateriale.

Metoden er oplagt til behandling af sygdomme, som kun i perioder kræver en ændring i cellernes proteiner. Det gælder fx hovedpine og andre former for smerte, hvor proteiner involveret i nervecellers smertesignaler midlertidigt kan sættes ud af kraft.

Dannelsen af proteiner kan også påvirkes med en tredje ny CRISPR-variant, som hverken retter i dna- eller rna-sekvenser.

I stedet fjerner den metylgrupper – små molekyler, som klistrer sig til dna’et og forhindrer, at et gen bliver oversat til rna og protein. Metylgruppernes blokering kan forårsage sygdom, og ved at fjerne dem kan forskerne behandle sygdommen.

CRISPR retter fejl i dna’et, men ikke alle genetiske sygdomme skyldes fejl i den genetiske kode. Folk med fragilt X-syndrom har fx et fejlfrit FMR1-gen – alligevel virker genet ikke,
som det skal. Årsagen er en molekylær blokade af dna’et, og en ny type CRISPR skal nu nedbryde blokaden.

© Shutterstock

Uønskede molekyler slukker vigtigt gen

Fragilt X-syndrom, som bl.a. kan medføre udviklingshæmning, skyldes, at såkaldte metylgrupper (orange) dækker genet FMR1 (gråt). Tildækningen slukker genet, så cellen ikke kan danne det protein (til højre), som genet koder for.

© Shutterstock

Fusioneret enzym opsporer sygt dna

Forskerne sender et modificeret CRISPR-værktøj ind i cellerne. Det består af et stykke guide-rna (gult), der kan opspore FMR1-genet, samt et inaktivt Cas9-enzym (gråt), som er
koblet til et andet enzym kaldet TET1 (blåt).

© Shutterstock

Skarpt knivsblad sabler blokade ned

TET1-enzymet fjerner metylgrupperne fra genet. Når genet er ryddet, kan cellen igen aflæse dets kode og danne proteinet (til højre), som nu kan udføre sin normale opgave i cellen.

Metoden er allerede blevet brugt i laboratoriet til at rense genet FMR1 for metylgrupper. Når dette gen er blokeret, kan det resultere i fragilt X-syndrom – en tilstand, som blandt andet kan medføre udviklingshæmning. Men metoden har et langt større potentiale.

Metylgrupper spiller en vigtig rolle i alt fra autisme til kræft, og metoden til at fjerne dem kan føre til behandlinger, som er utænkelige med traditionel CRISPR.

CRISPR sprøjtes ind i øjet

Kapløbet for at forbedre CRISPR skal gå stærkt, for teknikken bliver i større og større omfang testet på mennesker.

I marts 2020 indledte den amerikanske øjenlæge Mark Pennesi et forsøg, hvor CRISPR sprøjtes direkte ind i under øjets nethinde på en række patienter, der lider af en form for arvelig blindhed kaldet Leber congenital amaurosis 10 (LCA10).

Lidelsen skyldes en medfødt mutation i genet CEP290.

CRISPR-behandlingen skal klippe mutationen ud af genet i patienternes nethinde, og håbet er, at patienterne gen-vinder synet.

Metoden har været lovende i mus, men der er endnu ingen resultater fra forsøget i mennesker. Forhåbentlig virker den som planlagt, men der er en vis risiko for, at den skaber nye ønskede mutationer i patienterne – ligesom det skete i He Jian-kuis kinesiske tvillinger.