10 år med CRISPR: »Der er sket en kæmpe udvikling«

CRISPR er i de seneste 10 år blevet taget i brug i laboratorier rundt om i verden med ekspresfart.

CRISPR er en slags molekylær gensaks, der kan klippe i DNA hos både planter, dyr og mennesker. På denne måde kan man ændre DNA'et, som er koden, der styrer, hvordan alt levende er opbygget og fungerer.

Det er håbet, at CRISPR-metoden kan bruges til at behandle alvorlige genetiske sygdomme, som der indtil videre ikke findes nogen kur mod.

Men det er ikke kun i behandling, at CRISPR har vist sig nyttig. Gensaksen bruges til at afdække, hvad gener gør, og til at skabe laboratoriemus. Den kan bruges til at stille diagnoser og til at skabe afgrøder med bedre egenskaber.

I en videnskabelig artikel publiceret i Science i slutningen af ​​januar fortæller Joy Wang og Jennifer Doudna om udviklingen i det seneste årti.

Kommer fra bakteriers immunsystem

Teknikker til at ændre gener har eksisteret siden 1970'erne.

Det, der gør CRISPR til noget særligt, er, at gener nu kan redigeres mere præcist, nemmere og billigere end før.

Teknologien stammer faktisk fra bakteriers immunsystem. CRISPR er navnet på et område i bakteriers DNA, der består af korte, repeterende sekvenser. Mellem dem ligger et lille stykke DNA fra virus, der tidligere har angrebet bakterien eller dens forfædre.

Bakterien har altså lavet en to-do-liste over indtrængere. Når en virus går til angreb, kan bakterien lave en kopi fra sin huskeliste i form af et RNA-molekyle.

RNA'et slår sig sammen med et protein, der kan skære i genetisk materiale. Sammen leder de virussens genetiske materiale igennem for at finde noget, der matcher kopien. Når de finder det, skæres DNA'et i to.

Sådan kan virusser sættes ud af spil.

Bevist i 2012

Denne forsvarsmekanisme skulle vise sig at blive nyttig for os.

Det var Jennifer Doudna, Emmanuelle Charpentier og kolleger, der i 2012 viste, at mekanismen er ‘programmeret’ til at skære lige, hvor man vil, i DNA. Virginijus Šikšnys gjorde det også omtrent samtidigt.

I 2013 blev teknikken for første gang brugt til at ændre arvematerialet i dyre- og menneskeceller. Siden er det gået stærkt.

»Der er sket en kæmpe udvikling,« siger Eivind Valen, professor ved Universitetet i Bergen, der selv har udviklet værktøj til CRISPR-redigering.

»CRISPR bruges i næsten alle molekylærbiologiske laboratorier i verden,« siger Eivind Valen.

I 2020 modtog Jennifer Doudna og Emmanuelle Charpentier Nobelprisen i kemi for at udvikle den nye metode til genredigering.

Slår generne ud

Én af de ting, Joy Wang og Jennifer Doudna fremhæver i Science-artiklen, er, at CRISPR er meget effektiv til at 'slå gener ud' - såkaldte 'gene knockouts'.

Når saksen skærer arvematerialet i to, forsøger cellen nemlig at reparere bruddet.

»Så introducerer reparationsmaskineriet af og til fejl i genet, så det ikke længere virker,« forklarer Eivind Valen, og fortsætter:

»Det er ofte sådan, vi molekylærbiologer arbejder for at finde ud af, hvad gener gør: At slå generne ud og observere konsekvenserne. Det er nu blevet meget nemt.«

Så kan forskere teste, hvordan en celle, mus eller plante fungerer uden genet.

Mus med sygdomme

Det at 'slå generne ud' gør det nemmere at skabe forsøgsdyr med specielle gener, der ikke virker. Så kan man skabe forsøgsmus med genetiske sygdomme, som findes hos mennesker. Musene kan herefter bruges til at forske i sygdommen.

Derudover kan forskere indsætte nye gener med CRISPR.

Ifølge Joy Wang og Jennifer Doudna kan den tid, det tager at skabe genetisk modificerede mus, reduceres fra et år til så lidt som fire uger.

Ved hjælp af CRISPR har forskere blandt andet skabt mus, der udvikler kræft, knogleskørhed og Alzheimers.

Sværere at indsætte

CRISPR kan bruges til at redigere DNA fra dyr og planter. Men det er sværere at indsætte nye gener end at slå dem ud, siger Eivind Valen.

»Det er blevet meget nemmere de seneste 10 år, men kan stadig være udfordrende,« siger Eivind Valen.

Når cellen reparerer klippet, kan det ske på to måder: Enten limer den enderne sammen. Så bliver det gen, der var der, normalt repareret, men der kan opstå fejl, der slår det ud.

Eller cellen kan lave en mere avanceret reparationsproces, hvor forskerne snyder cellen til at bruge en skabelon, som de har tilføjet.

»Man laver en lang DNA-sekvens, som er identisk med det område, man har klippet i, men som indeholder visse ændringer, man gerne vil indføre,« siger Eivind Valen.

Cellen accepterer ofte denne sekvens og reparerer området baseret på den. Dermed er generne redigerede.

Et problem er, at det er den hurtige reparation, der sker oftest. Forskere har ikke desto mindre fundet metoder til at udløse den mere avancerede reparation oftere, så nye gener bliver sat ind.

Det arbejder vi ihærdigt på at øge effektiviteten af, siger Eivind Valen.

Mere hårdføre planter og behandling mod sygdom

Ved at slå gener ud eller indsætte nye kan forskerne foretage nyttige ændringer i organismer.

For eksempel kan de gøre jordbærplanter eller opdrættede laks mindre sårbare over for sygdomme.

CRISPR er blevet brugt til at forsøge at ændre risplanter til at producere større afgrødeudbytte, for at gøre appelsiner bedre beskyttet mod en sygdom og til at gøre hvede uden gluten, ifølge Synthego.

Den første godkendte CRISPR-redigerede grøntsag kom på markedet i 2021.

Ikke mindst bliver CRISPR testet som behandling mod genetiske sygdomme.

Der er håb om, at genredigering kan bruges til at rette op på gener, der laver fejl og forårsager alvorlige sygdomme, som eksempelvis Duchennes muskeldystrofi, Huntingtons eller cystisk fibrose.

Adskillige kliniske undersøgelser på mennesker finder allerede sted, for nu mest i kræft og blodsygdomme.

Redigeret uden for kroppen

En grund til, at behandling for kræft og blodsygdomme testes først, er, at cellerne kan tages ud af kroppen, redigeres og derefter sættes ind igen.

For kræft bliver immunceller redigeret, så de kan blive bedre til at angribe kræftceller. Det er en meget spændende metode, som er blevet foretaget med varierende succes, fortællerEivind Valen.

CRISPR-behandling mod en genetisk blodsygdom kaldet seglcelleanæmi har været vellykket.

Her tages stamceller fra patienten og ændres, så de begynder at producere raske røde blodlegemer. Så sættes de ind igen. Resultaterne har været gode.

Det forventes, at de amerikanske sundhedsmyndigheder, FDA, vil give godkendelse til den første CRISPR-baserede behandling mod seglcelleanæmi inden længe.

Når der klippes det forkerte sted

Det er mere sikkert at redigere cellerne uden for kroppen.

»Hvis noget går galt, kan man bare undlade at indsætte dem igen. Man kan tjekke, om cellerne er blevet redigeret forkert,« siger Eivind Valen.

Nogle gange klipper CRISPR det forkerte sted. Den klipper steder, der ligner det område, den skal klippe. Det kaldes ‘off-targets’ og kan være skræmmende.

»Der er stadig ting, der under alle omstændigheder skal testes yderligere, før jeg ville slippe det løs i kroppen,« siger Eivind Valen.

For de fleste genetiske sygdomme kan cellerne ikke ændres uden for kroppen. Så skal saksen ind, for eksempel via en virus. Det er ikke så nemt.

»Det er faktisk en udfordring i hele farmakologien: At levere lægemidler direkte ind i cellerne. Det leveringsproblem er ikke løst for hverken medicin eller CRISPR.«

Flere sakse at vælge imellem

I de seneste 10 år er der også sket meget indenfor selve CRISPR-teknologien.

Det originale CRISPR-værktøj hedder CRISPR/Cas9. Her er Cas9 det protein, der klipper. Det kommer fra en bestemt bakterie. I de senere år er der kommet flere versioner af saksen, som stammer fra andre bakterier.

Men Cas9 kan ikke helt klippe hvor som helst:

»Det kræver, at man har to G'er lige ved siden af ​​det sted, du skal ramme. Det findes ikke altid i nærheden af ​​det sted, man ønsker at ændre, og forskerne har derfor testet andre Cas’er, der har andre krav til DNA-baser,« siger Eivind Valen.

Kan andre ting end at klippe

Der er også lavet CRISPR-versioner, som ikke længere kan klippe.

»Den sætter sig bare det rigtige sted,« siger Eivind Valen.

Forskerne kan så lime proteiner på, der gør andre ting. CRISPR bruges på denne måde som en slags transport for at komme det rigtige sted hen.

Man kan for eksempel sætte proteiner på, der kan tænde og slukke for gener, uden at generne ødelægges.

»Det er blevet meget nemmere. Hvis man vil finde ud af, hvad et gen gør, og det normalt er slukket, så kan man finde ud af, hvad der sker, når det tændes,« siger Eivind Valen.

Denne til- og frakobling af gener bruges i såkaldte screeninger, hvor CRISPR kan bruges på tusindvis af celler på samme tid.

For eksempel kan man udforske, hvilket gen der gør en type kræftcelle resistent over for et lægemiddel.

CRISPR kan også bruges til at stille diagnoser. Gensaksen leder i dette tilfælde efter et stykke DNA fra en sygdomsfremkaldende bakterie eller virus. Der er lavet test for COVID-19 baseret på dette.

Ændrer nogle få bogstaver

Andre nyvindinger er mere skånsom genredigering, hvor CRISPR ikke klipper det genetiske materiale i to, men manipulerer det på andre måder.

Et af de nye værktøjer kaldes baseredigering. Her er klippefunktionen i CRISPR deaktiveret.

Gensaksen føres til det rigtige sted i DNA'et sammen med et protein, der kan ændre et par enkelte baser eller ‘bogstaver’ i et gen, som for eksempel et C til et T.

Det sker uden brud på arvematerialet.

»Mange genetiske sygdomme består af en fejl, en mutation, der er ødelæggende. Hvis man kan bruge baseredigering i behandlingen, så er det en meget mere skånsom måde at gøre det på,« siger Eivind Valen.

Søg og erstat

En anden variant er såkaldt primær redigering. Det er et af de nyeste værktøjer, fortæller Eivind Valen.

Det kan sammenlignes med søge- og erstat-funktionen i et skriveprogram, som Eivind Valen skrev i artiklen i Tidsskrift for den norske lægeforening.

Her klippes kun én af ​​DNA-strengene. I tillæg medbringer CRISPR en opskrift på, hvad der skal ind. Et protein sørger for, at det indsættes. Det giver mere præcis redigering.

I teorien kan denne type værktøj bruges til at behandle de fleste genetiske sygdomme, skrev Eivind Valen, hvis man altså blandt andet kan løse udfordringerne med at levere CRISPR til cellerne.

Forskning i primær redigering er foreløbig på et tidligt stadie.

Flere kliniske studier og flere redigerede fødevareplanter

En udfordring fremadrettet, når det kommer til behandling, er omkostninger.

Selvom CRISPR er nemmere at bruge end tidligere metoder, er prisen for behandling fortsat høj. Behandling for seglcelleanæmi kan for eksempel koste op til to millioner dollars per patient, ifølge Joy Wang og Jennifer Doudnas artikel i Science.

I løbet af de næste par år forventer forskerne, at flere kliniske studier vil blive sat i gang, og at der vil ske fremskridt med at levere CRISPR direkte til celler i kroppen.

De forventer, at flere typer genredigerede fødevareplanter bliver godkendt, og at der vil blive forsøgt med genredigering i flere typer planter og husdyr.

Længere ude i fremtiden tror de, at der vil være udbredt brug af fødevareplanter, der er redigeret til at være modstandsdygtige over for sygdomme, og som giver større udbytte.

De mener også, at vi vil have bredt tilgængelige CRISPR-behandlinger til sygdomme.

Som Joy Wang og Jennifer Doudna skriver i deres artikel: »De seneste 10 år er kun begyndelsen.«

©Forskning.no. Oversat af Stephanie Lammers-Clark. Læs den oprindelige artikel her.