Att redigera generna hos det mänskliga embryot kan få oavsiktliga konsekvenser för människors hälsa och för samhället som helhet. Därför, när en kinesisk forskare använde denna metod i ett försök att göra barn mer resistenta mot HIV, var många snabba att fördöma rörelsen som för tidig och ansvarslös. Naturen frågade forskare vad som hindrar detta förfarande från att betraktas som en acceptabel klinisk praxis.
Försök att göra ärvliga förändringar i det mänskliga genomet har varit kontroversiella. Här är vad du behöver göra för att göra denna teknik säker och acceptabel.
Sex månader efter bröllopet beslutade Jeff Carroll och hans fru att inte få barn. Carroll, en 25-årig före detta amerikansk armékorporal, fick just veta att han har en mutation som orsakar Huntingtons chorea, en genetisk störning som skadar hjärnan och nervsystemet och alltid leder till för tidig död. För ungefär fyra år sedan fick hans mor diagnosen sjukdomen, och nu har han fått veta att även han nästan säkert kommer att bli sjuk.
Inför 50% chans att överföra samma fula öde till sina barn, bestämde paret att barn var uteslutna. "Vi stängde just ämnet," säger Carroll.
Medan han fortfarande var i armén började han studera biologi i hopp om att bättre förstå sin sjukdom. Han fick reda på att det finns ett sådant förfarande som genetisk diagnos för preimplantation eller PGD. Carroll och hans fru kunde praktiskt utesluta möjligheten till mutationsöverföring genom in vitro fertilisering (IVF) och embryodiagnostik. De bestämde sig för att pröva lyckan och 2006 fick de tvillingar utan Huntingtons mutation.
Carroll är nu forskare vid Western Washington University i Bellingham, där han tillämpar en annan teknik som kan hjälpa par i hans situation: CRISPR genomisk redigering. Han har redan använt detta kraftfulla verktyg för att förändra uttrycket för genen som är ansvarig för Huntingtons sjukdom i musceller. Eftersom Huntingtons chorea orsakas av endast en gen, och dess konsekvenser är så förödande, är det denna sjukdom som ofta citeras som ett exempel på en situation där redigering av gener i det mänskliga embryot - ett förfarande som kan orsaka förändringar som ärvts av kommande generationer, och därför är kontroversiellt - verkligen kan vara motiverat. Men utsikterna att använda CRISPR för att förändra denna gen i mänskliga embryon oroar fortfarande Carroll. "Det här är en enorm milstolpe," säger han. - Jag förstår,att människor vill passera det så snart som möjligt - inklusive mig. Men i denna fråga måste alla ambitioner tappas. " Förfarandet kan ha oförutsedda konsekvenser för människors hälsa och för hela samhället. Det kommer att ta decennier av forskning innan tekniken är säker, sade han.
Den allmänna opinionen om redigering av gener för att förebygga sjukdom är i allmänhet positiv. Men Carrolls motvilja delas av många forskare. När nyheter bröt förra året om att en kinesisk biofysiker använde genomredigering för att försöka göra barn mer resistenta mot HIV, var många forskare snabba att fördöma flytten som för tidig och ansvarslös.
Sedan dess har flera forskare och vetenskapliga samhällen begärt ett moratorium för att redigera det ärvda mänskliga genomet. Men ett sådant moratorium väcker en viktig fråga, säger embryolog Tony Perry från University of Bath, Storbritannien.”När kan det tas bort?” Säger han. - Vilka villkor måste uppfyllas för detta?
Kampanjvideo:
Naturen har frågat forskare och andra intressenter vad som exakt håller tillbaka ärftlig genredigering som en acceptabel klinisk praxis. Vissa vetenskapliga problem kan förmodligen övervinnas, men det kan vara nödvändigt att ändra kliniska prövningar och hitta bredare samsyn om tekniken för en metod som ska certifieras.
Förbi målet: Hur många "misstag" kan du göra?
Genomredigering är tekniskt utmanande, men det som har väckt mest uppmärksamhet är potentialen för oönskade genetiska förändringar, säger Martin Pera, en stamcellforskare vid Jacksons bar Harbor, Maine-laboratorium. Ändå, tillägger han, är detta problemet som troligen är det lättaste att lösa.
Den mest populära genredigeringsmetoden är CRISPR-Cas9-systemet. Mekanismen är lånad från vissa bakterier, som använder den för att försvara mot virus genom att skära DNA med Cas9-enzymet. En forskare kan använda ett stycke RNA för att rikta Cas9 till en specifik region i genomet. Men som det visar sig skär Cas9 och liknande enzymer DNA på andra platser, särskilt när det finns DNA-sekvenser i genomet som liknar det önskade målet. Dessa "sido" snitt kan leda till hälsoproblem, till exempel att ändra en gen som hämmar tumörtillväxt kan leda till cancer.
Forskare har försökt utveckla alternativ till Cas9-enzymet som kan vara mindre benägna att göra fel. De utvecklade också versioner av Cas9 som ger en lägre felhastighet.
Felfrekvensen varierar beroende på vilken region i genomet som enzymet riktar sig till. Många genredigeringsenzymer har endast studerats på möss eller mänskliga celler odlade i kultur, inte i mänskliga embryon. Felfrekvensen kan vara annorlunda i mus- och mänskliga celler, såväl som i mogna och embryonala celler.
Felantalet behöver inte vara noll. En liten mängd DNA-förändringar inträffar naturligt varje gång en cell delar sig. Vissa säger att vissa bakgrundsförändringar kan vara acceptabla, särskilt om metoden används för att förebygga eller behandla en allvarlig sjukdom.
Vissa forskare tycker att CRISPR-felfrekvensen redan är tillräckligt låg, säger Perry. "Men - och jag tycker att det här är ett ganska stort" men "- vi har ännu inte räknat med det specifika att redigera mänskliga ägg och embryon ännu," sade han.
Mål, men inte så: hur exakt ska genomisk redigering vara?
Ett större problem än biverkningar kan vara DNA-förändringar som är riktade men oönskade. Efter att Cas9 eller ett liknande enzym skär DNA: t, lämnas cellen för att läka såret. Men cellreparationsprocesser är oförutsägbara.
En form av DNA-reparation eller reparation är icke-homolog slutfästning, som tar bort några av DNA-bokstäverna vid skärningen - en process som kan vara användbar om målet med redigering är att inaktivera uttrycket av en mutant gen.
En annan form av reparation, kallad homolog reparation, gör det möjligt för forskare att skriva om DNA-sekvensen genom att tillhandahålla ett prov som kopieras på skärplatsen. Det kan användas för att korrigera ett tillstånd såsom cystisk fibros, som vanligtvis orsakas av en radering (förlust av en del av en kromosom) i CFTR-genen.
Båda processerna är svåra att kontrollera. Raderingar orsakade av icke-homolog slutförening kan variera i storlek och bilda olika DNA-sekvenser. Homolog reparation möjliggör bättre kontroll över redigeringsprocessen, men den förekommer mycket mindre ofta än borttagningar i många celltyper. Studier på möss kan göra CRISPR genomisk redigering mer exakt och effektivare än det är nu, säger Andy Greenfield, en genetiker vid Harwell Institute of the UK Medical Research Council, nära Oxford. Möss avlar stora avkommor, och forskare har därför många försök att uppnå framgångsrik redigering och bli av med alla misstag. Detsamma kan inte sägas om mänskliga embryon.
Det är ännu inte klart hur effektiv riktad homolog reparation kommer att vara hos människor, eller ens hur exakt den kommer att fungera. Under 2017 använde en grupp forskare CRISPR-Cas9 i mänskliga embryon för att korrigera genvarianter förknippade med hjärtsvikt. Embryona implanterades inte, men resultaten visade att de modifierade cellerna användes som en mall för DNA-reparation med moders genom, snarare än den DNA-mall som forskarna tillhandahöll. Detta kan visa sig vara ett mer pålitligt sätt att redigera DNA från mänskliga embryon. Men sedan dess har andra forskare rapporterat att de inte har kunnat replikera dessa resultat. "Vi förstår ännu inte helt hur DNA-reparation sker i embryon," säger Jennifer Doudna, en molekylärbiolog vid University of California, Berkeley."Vi måste göra mycket arbete med andra typer av embryon för att förstå åtminstone grundläggande saker."
Forskare utvecklar sätt att lösa problemen i samband med DNA-reparation. Två artiklar publicerade i juni diskuterar CRISPR-systemet, som kan infoga DNA i genomet utan att störa båda strängarna och därmed kringgå beroendet av DNA-reparationsmekanismer. Om systemen lyckas genomgå ytterligare tester kan de tillåta forskare att bättre kontrollera redigeringsprocessen.
En annan metod är att använda en teknik som kallas grundläggande redigering. De grundläggande redaktörerna innehåller en inaktiverad Cas9 tillsammans med ett enzym som kan konvertera en DNA-bokstav till en annan. Den funktionshindrade Cas9 dirigerar basredigeraren till ett avsnitt av genomet, där det kemiskt modifierar DNA direkt utan att skära det. Forskning som publicerades i april visade att några av dessa grundläggande redaktörer också kan göra oavsiktliga förändringar, men arbetet fortsätter att förbättra deras noggrannhet.
"Grundläggande redigering uppfyller för närvarande inte våra kriterier," säger Matthew Porteus, barnhematolog vid Stanford University i Kalifornien. "Men du kan föreställa dig att det blir bättre med tiden."
Läs fortsättningen här.
Heidi Ledford
