Tre vetenskapliga artiklar har publicerats där författarna rapporterar om storskaliga nedfall av kromosom genetiskt material och DNA-omarrangemang. Forskarnas fynd, säger artikeln, stärker oro över säkerheten för genomredigeringsteknologier.
Som ett resultat av en serie experiment där modifieringen av mänskliga embryon utfördes med hjälp av genredigeringsverktyget CRISPR-Cas9, har forskare visat att denna teknik kan göra betydande och oönskade förändringar i genomet vid eller i närheten av genomets målplats.
Resultaten av forskningen publicerades denna månad på bioRxiv-förtrycksservern, men har ännu inte granskats. De publicerade artiklarna ger emellertid en god indikation på att vissa forskare tror att det finns en underskattad risk i genomredigering med CRISPR-Cas9. Tidigare experiment har visat att detta redigeringsverktyg kan orsaka mutationer i sidogener på ett betydande avstånd från DNA-målstället, men nyligen genomförda studier har avslöjat förändringar som inträffar i områden intill denna plats och kanske inte märks med standardmetoder.
”För oss är exakta effekter viktigare. De är mycket svårare att eliminera efteråt, säger Gaétan Burgio, genetiker vid Australian National University i Canberra.
Säkerhetsproblem kommer sannolikt att vara ett viktigt ämne i den pågående debatten om huruvida forskare kan använda mänskliga embryotekniker för att förhindra genetiska sjukdomar. Attityden till denna teknik väcker många frågor, eftersom den skapar irreversibla förändringar i genomet, som sedan kommer att vidarebefordras till ättlingar från generation till generation. "Om tekniken för redigering av mänskliga embryon för reproduktionsändamål eller redigering av den så kallade groddlinjen kan jämföras med den första bemannade flygningen ut i rymden, kan de nya data som forskarna har fått likna en raketexplosion på startplattan strax före start," säger Fyodor Urnov från University of California, Berkeley,som studerar genomredigering (Fedor Urnov deltog inte i någon av ovanstående studier).
Oönskade effekter
Forskare genomförde de första experimenten med CRISPR för att redigera mänskliga embryon redan 2015. Sedan dess har flera vetenskapliga grupper runt om i världen börjat studera denna teknik för exakt genredigering. Sådan forskning är dock fortfarande sällsynt och vanligtvis mycket reglerad.
Kampanjvideo:
Enligt Mary Herbert, en reproduktionsbiolog vid Newcastle University, Storbritannien, belyser en ny studie följande: Forskare vet lite om hur mänskliga embryon reparerar DNA-skärning med genomredigeringsverktyg. (detta är ett viktigt steg i redigering med CRISPR-Cas9). "Vi måste förstå vad som händer där innan vi börjar använda DNA-skärande enzymer i det," tillägger Mary Herbert.
Den första av förtryck publicerades online den 5 juni av utvecklingsbiologen Kathy Niakan från Francis Crick Institute i London och hennes kollegor. I sin studie använde forskarna CRISPR-Cas9 för att skapa mutationer i POU5F1-genen, som har en stor inverkan på embryonal utveckling. Av de 18 redigerade embryona innehöll cirka 22% oönskade förändringar som påverkade stora DNA-regioner intill POU5F1-genen. I synnerhet observerades en omarrangemang av DNA-regioner och stora raderingar av flera tusen DNA-nukleotider - och detta är mycket mer än vad som vanligt anses bland forskare som använder denna metod.
En annan grupp forskare, ledd av stamcellbiologen Dieter Egli från Columbia University i New York City, studerade embryon producerade av spermier som orsakar en mutation i EYS-genen (denna mutation leder till blindhet). Forskare försökte korrigera denna mutation med hjälp av CRISPR-Cas9, men ungefär hälften av alla testade embryon förlorade stora delar av sin kromosom (och i vissa fall hela kromosomen), på vilken EYS-genen ligger.
Slutligen studerade en tredje grupp forskare, ledd av reproduktionsbiologen Shoukhrat Mitalipov från Oregon Health and Science University i Portland, embryon som producerats med hjälp av spermier som bär en mutation som orsakar hjärtsjukdom. Forskare i detta team verkar också ha blivit övertygade om att redigering av genomet påverkar stora regioner i kromosomen som innehåller den modifierade genen.
I all sin forskning använde forskarna embryon endast för vetenskapliga ändamål och inte för att inducera graviditet. De ledande författarna av dessa tre vetenskapliga studier, vars resultat återspeglas i förtryck, avböjde att diskutera deras arbete i detalj med nyhetsavdelningen i tidskriften Nature tills deras artiklar publicerades i peer-granskade tidskrifter.
Oförutsägbar ersättning
Alla registrerade förändringar uppstår som ett resultat av DNA-reparation, som utförs med hjälp av redigeringsverktyg för genom. CRISPR-Cas9 använder en liten RNA-sträng för att rikta Cas9-enzymet till en plats med en liknande sekvens. Enzymet skär sedan båda DNA-strängarna på denna plats och cellreparationssystemen stänger detta gap.
Redigering sker precis under reparation: oftast stänger cellen tätt detta gap med en mekanism som kan infoga eller ta bort en liten mängd DNA-nukleotider; emellertid fungerar denna mekanism med fel. Om forskare sätter in en DNA-mall kan cellen ibland använda den sekvensen för att reparera pausen, vilket resulterar i en korrekt omskrivning. Men det skurna DNA kan också blanda eller förlora stora bitar av kromosomen.
Tidigare arbete med CRISPR-teknik i musembryon och andra typer av mänskliga celler har visat att kromosomredigering kan orsaka betydande oönskade effekter. Men enligt Urnov var det viktigt för forskare att demonstrera deras tillvägagångssätt i mänskliga embryon, eftersom olika typer av celler kan reagera olika på redigering av genomet.
Denna omarrangemang av DNA-regioner kan ha förbises i många experiment, där forskare vanligtvis försöker hitta exempel på oönskad redigering, exempelvis en förändring i en DNA-nukleotid, eller små infogningar eller borttagningar av små fragment av nukleotider. I de senaste experimenten var det emellertid specifikt stora borttagningar och kromosomala omorganiseringar nära målplatsen som undersöktes specifikt. "Och det vetenskapliga samfundet kommer att ta de resultat som erhållits ännu mer på allvar än tidigare," säger Urnov. "Dessa resultat är inte av misstag alls."
Genetiska förändringar
Forskningsteamen som har genomfört de tre studierna som beskrivs ovan har på olika sätt förklarat mekanismen som ligger bakom omarrangemangen inom DNA. Till exempel tror Egli och Nyakana forskargrupper att de flesta förändringar som observerats i embryon beror på stora raderingar och omarrangemang av DNA-regioner. Mitalipovs grupp uppgav emellertid att upp till 40% av de upptäckta förändringarna orsakades av den så kallade genomvandlingen, i vilken, som ett resultat av DNA-reparationsprocesser, en sekvens kopieras från en kromosom i ett par för att reparera en annan.
Mitalipov och hans kollegor rapporterade liknande resultat redan 2017, men vissa forskare var skeptiska till det faktum att genomvandling är vanlig i embryon. Forskarna märkte följande: för det första, under genkonvertering, är moder- och faderliga kromosomer inte belägna bredvid varandra, och för det andra kan de analyser som används av forskarteamet för att bestämma genomvandlingen avslöja andra kromosomala förändringar, inklusive borttagningar.
Egli och hans kollegor i sin förtryck ville direkt experimentellt verifiera förekomsten av genomvandling, men kunde inte upptäcka det. Burjo konstaterar att experimenten som beskrivs i Mitalipovs förtryck liknar dem som genomfördes av hans forskargrupp 2017. Enligt Jin-Soo Kim, en genetiker vid Seoul National University och medförfattare till Mitalipov-förtrycket, kan DNA-brytningar i olika delar av kromosomen korrigeras på något annat sätt - detta är enligt hans åsikt en av de möjliga lösningarna på problemet …
