"Najnowsze osiągnięcia inżynierii genetycznej w walce z malarią."

Sylwia BORSKA

Absolwentka Wydziału Nauk Przyrodniczych Uniwersytetu Wrocławskiego. Od kilkunastu lat związana z Uniwersytetem Medycznym we Wrocławiu, gdzie uzyskała stopień naukowy doktora nauk medycznych. Zajmuje się zagadnieniami z zakresu biologii nowotworów, przede wszystkim zjawiskiem oporności wielolekowej oraz badaniem cytotoksyczności związków chemicznych w hodowlach in vitro.

zobacz inne teksty Autorki

Według WHO¹ malaria zabija ponad 580 000 ludzi rocznie na całym świecie, co stawia ją na pierwszym miejscu wśród najgroźniejszych chorób dotykających człowieka. Malaria może być wywoływana przez różne gatunki pierwotniaka z rodzaju Plasmodium (zarodziec). Leczenie tej groźnej choroby pasożytniczej nie zawsze jest skuteczne, a stosowane farmaceutyki mają wiele skutków ubocznych. U ludzi najczęściej dochodzi do zakażenia wskutek ugryzienia przez komara zainfekowanego zarodźcem ruchliwym (Plasmodium vivax) lub sierpowatym (Plasmodium falciparum). Najcięższa postać choroby, powodująca ciężkie powikłania i często śmiertelna, wywoływana jest przez Plasmodium falciparum i jest przenoszona przez samice komarów z rodzaju Anopheles.

.W listopadzie 2015 r. naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego opublikowali wyniki badań w prestiżowym czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences, dowodzące, że są oni w stanie stworzyć komary, które nie tylko będą całkowicie odporne na zakażenie zarodźcem wywołującym malarię, ale również mogą przenieść tę cechę na kolejne generacje, bez względu na genotyp osobnika, z którym będą miały potomstwo². Początkowo zaprojektowano komara odpornego na zarodźca, ale owad ten był pozbawiony możliwości szybkiego przekazywania mutacji. System, którego użyto, o nazwie CRISPR-Cas9³, pozwala na bardzo precyzyjne modyfikowanie pojedynczych genów, w tym wymianę, wycinanie czy też dodawanie takich, które normalnie nie występują u danego gatunku. Używa się do tego specjalnego enzymu, endonukleazy Cas9, która może dokonać specyficznych cięć DNA dzięki tracrRNA. Taka cząsteczka kwasu RNA naprowadza enzym na wybrane przez nas miejsce genomu. Metoda jest prosta, tania i niezwykle dokładna w porównaniu z dotychczasowymi technikami inżynierii genetycznej.

Rys. 1. Komar z odpowiednio zaprojektowaną mutacją w genomie jest odporny na zakażenie zarodźcem wywołującym malarię. Podobne eksperymenty, również w przypadku groźnej dengi, były już wcześniej prowadzone z wykorzystaniem różnych metod, niektóre z bardzo obiecującym skutkiem.

.Współpraca pomiędzy różnymi ośrodkami naukowymi pozwoliła na stworzenie muszki owocowej, której zmienione geny rozprzestrzeniały się błyskawicznie u potomstwa kolejnych generacji. Uzyskano to dzięki metodzie transferu genów, powodującej kopiowanie wprowadzonej zmiany na drugi chromosom (homologiczny), co zwiększa prawdopodobieństwo uzyskania odporności u całej populacji prawie w 100%. Wyniki tych badań, które opublikowano w Science⁴, okazały się przełomowe i pozwoliły na zastosowanie podobnych rozwiązań w przypadku komarów. Badacze użyli nowej metody edytowania genów CRISPR-Cas9 połączonej z poziomym transferem genów. Genom komara zmodyfikowano, dodając dwa geny w taki sposób, aby wykazywał on odporność na zakażenie zarodźcem sierpowatym, a dodatkowo dzięki transferowi genów z chromosomu na chromosom i reakcji łańcuchowej mutacja ta mogła szybko rozprzestrzeniać się w populacji, aż do osiągnięcia ok. 99% osobników zmienionych.

Rys. 2. Rozprzestrzenianie się zmienionych genów w populacji. A — standardowe warunki dziedziczenia mutacji zaprojektowanej metodą CRISPR-Cas9, zgodnie z prawami Mendla.

Rys. 2. Rozprzestrzenianie się zmienionych genów w populacji. B — poziomy transfer genów + metoda CRISPR-Cas9 = dziedziczenie przyspieszone, rozprzestrzeniające się w populacji w prawie 100% w kilku pokoleniach komarów.

.Badania przeprowadzono pod ścisłą kontrolą w laboratorium i użyto nieaktywnego gatunku Anopheles stephensi, występującego na subkontynencie indyjskim. Należy jeszcze wykonać dodatkowe testy w celu zbadania ewentualnych konsekwencji wprowadzenia takiej zmiany w ekosystemie — m.in. możliwości przeniesienia genów na inne organizmy — oraz opracowania metody kontrolowania zaprojektowanego gatunku. Naukowcy przewidują, że w niecały rok będzie można przeprowadzić eksperymenty w terenie, w specjalnych sztucznych ekosystemach. Takie ogromne szklarnie mają powstać w południowej Zambii, wymaga to jednak uzyskania zgody rządu tego kraju.

Obecnie inny zespół z Imperial College London prowadzi eksperymenty z wykorzystaniem CRISPR na komarze z gatunku Anopheles gambiae, który przenosi malarię w Afryce Subsaharyjskiej (Czarnej Afryce). Dezaktywacja genów zaangażowanych w produkcję jaj u samic ma się przyczynić do znacznej redukcji populacji komara. Wyniki ukażą się w Nature Biotechnology⁵.

Rys. 3. Mechanizm CRISPR nie został wymyślony przez człowieka, ale przez… bakterie. Od milionów lat te „sprytne” mikroorganizmy pozbywają się w ten sposób patogenów, np. bakteriofagów. Obce białko jest rozpoznawane, cięte i wbudowywane w genom gospodarza. Następnie informacja przepisywana jest na komplementarną nić, która wiąże się z białkami Cas. Kompleksy te rozpoznają białka bakteriofaga przy kolejnej próbie ataku i unieszkodliwiają go.

.Poziomy transfer genów to również dobrze znany mechanizm ewolucji, ale dzięki nowym technikom inżynierii genetycznej pozwala on na błyskawiczne rozprzestrzenianie się sztucznie zaprojektowanych mutacji w populacji. Oznacza to, że dysponujemy zupełnie nową i prawdopodobnie dosyć skuteczną metodą walki z malarią. Sama technika budzi jednak wiele kontrowersji, ponieważ istnieje ryzyko, że zaprojektowana w laboratorium zmiana może wymknąć się spod kontroli i nieodwracalnie wpłynąć na całe ekosystemy. Dlatego wymaga licznych testów oraz regulacji prawnych.

System CRISPR-Cas9 w połączeniu z poziomym transferem genów to narzędzie o ogromnym potencjale, które dzięki swojej precyzji, prostocie zastosowania i szybkiemu rozprzestrzenianiu się zmiany genetycznej sprawia, że wkraczamy w zupełnie inną erę w dziedzinie inżynierii genetycznej, co może przynieść nieodwracalne konsekwencje dla wszystkich organizmów na naszej planecie.

Sylwia Borska

Literatura:
¹ WHO (2015), World Malaria Report, 2014 (WHO, Geneva, Switzerland)
² Gantz, V.M. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA (2015) http://www.pnas.org/content/early/2015/11/18/1521077112.long
³ Jinek, M. et al. Science 337, 816-821 (2012)
⁴ Ganz, V.M. & Bier, E. Science 348, 422-444 (2015)
⁵ Ledford, H. & Callaway, E. Nature News November 23, 2015