Hvad er genomredigering? Metoder, anvendelser og etiske udfordringer

Genomredigering: CRISPR, ZFN og metoder, anvendelser og etiske udfordringer — klar guide til DNA-redigering, medicin, landbrug og moralske dilemmaer.

Genomredigering er en form for genteknologi, hvor man målrettet ændrer arvematerialet i en celle eller organisme for at studere genfunktion eller ændre egenskaber.

Hvordan virker genomredigering?

DNA indsættes, udskiftes eller fjernes fra et genom ved hjælp af kunstigt fremstillede nukleaser, også kaldet "molekylære sakse". Nukleaserne laver specifikke dobbeltstrengsbrud (DSB'er) på de ønskede steder i genomet. Når et brud er skabt, benytter cellen sine egne reparationsmekanismer til at lukke bruddet. De to vigtigste reparationsveje er:

• Non-homologous end joining (NHEJ) — en hurtig, men fejlbehæftet mekanisme, som ofte indsætter eller sletter enkelte baser (indels) og dermed kan slå et gen fra.
• Homology-directed repair (HDR) — en mere præcis mekanisme, som kan bruges, hvis et reparationsskabelon (donor-DNA) er til stede, og som kan indsætte en bestemt sekvens. HDR er typisk mindre effektiv end NHEJ i mange celletyper.

Værktøjer og metoder

I øjeblikket anvendes der flere forskellige families af manipulerede nukleaser og relaterede teknologier. De vigtigste er:

• Meganukleaser — naturligt forekommende, men vanskelige at genprogrammere til nye mål.
• ZFNs (zinc finger nucleases) — kunstigt konstruerede proteiner, som kombinerer DNA-bindende zinc-finger-domæner med en nuclease. ZFN nævnes i den oprindelige tekst som eksempel på en manipuleret nuklease.
• TALENs (transcription activator-like effector nucleases) — proteiner, der er lettere at designe til nye sekvenser end meganukleaser.
• CRISPR–Cas-systemer (fx CRISPR‑Cas9) — et RNA-styret system, som er simpelt at programmere til praktisk talt enhver sekvens og derfor i dag er den mest udbredte metode.

Derudover er der nyere, nuclease-uafhængige metoder, som ændrer baser uden at lave dobbeltstrengsbrud, fx base editors og prime editing, som giver mulighed for mere præcise ændringer med færre uønskede effekter.

Andre måder at påvirke genfunktion

For at forstå funktionen af et gen eller et protein kan man forstyrre det på en sekvensspecifik måde og observere dets virkninger. I nogle organismer er det svært eller umuligt at lave stedspecifikke mutationer, så man anvender mere indirekte metoder. Eksempler herpå er:

• Tavshedspåvirkning af det pågældende gen ved hjælp af kort RNA-interferens (siRNA). Genafbrydelsen ved hjælp af siRNA kan dog være variabel og ufuldstændig.

• Redigering af genomet med nukleaser som ZFN. Dette er forskelligt fra siRNA. Den manipulerede nuklease (det enzym, der skærer DNA'et) er i stand til at ændre DNA-binding. Derfor kan den i princippet skære enhver målrettet position i genomet og indføre ændringer i sekvenserne for gener, som ikke specifikt kan angribes med konventionel RNAi.

Anvendelser

Genomredigering har et bredt spektrum af anvendelser:

• Grundforskning — skabe modeller (fx celler eller dyr) med målrettede mutationer for at studere geners funktion og sygdomsmekanismer.
• Medicin og genterapi — udvikling af behandlinger, fx korrektion af sygdomsfremkaldende mutationer i somatiske celler (ikke-arvelige ændringer) for at behandle genetiske sygdomme, kræft og infektionssygdomme.
• Landbrug og fødevareproduktion — forbedring af afgrøders modstandsdygtighed, næringsindhold eller ydeevne hos husdyr.
• Bioteknologi og industri — optimering af mikroorganismer til produktion af enzymer, bio-brændstoffer eller farmaceutiske stoffer.
• Bevarelse og økologi — potentielle værktøjer til at hjælpe truede arter eller kontrollere invasive arter, men med betydelige risici og etiske overvejelser.

Sikkerhed, begrænsninger og tekniske udfordringer

Selvom genomredigering er kraftfuld, er der flere tekniske udfordringer:

• Off-target-effekter — utilsigtede ændringer andre steder i genomet, som kan give uforudsete konsekvenser.
• Effektivitet og mosaicisme — især ved embryoredigering kan ikke alle celler få den ønskede ændring, hvilket fører til mosaikiske organismer.
• Leveringsmetoder — at få redigeringsværktøjerne ind i de rigtige celler er ofte vanskeligt; man bruger bl.a. virale vektorer, lipidnanopartikler, elektroporation eller direkte levering af protein-RNA-komplekser (RNP).
• Immunresponser — kroppen kan reagere mod proteiner eller vektorer, hvilket kan begrænse behandlingers sikkerhed og effektivitet.

Etiske, sociale og juridiske udfordringer

Genomredigering rejser en række etiske og reguleringsmæssige spørgsmål:

• Germline vs. somatisk redigering — ændringer i kønsceller eller embryoer (germline) vil blive arvet af kommende generationer og vækker større etiske bekymringer end behandlinger, der kun påvirker den enkelte persons somatiske celler.
• Sikkerhed og langsigtede konsekvenser — usikkerhed omkring uforudsete effekter på individet og for populationer over tid.
• Samtykke og retfærdighed — spørgsmål om hvem der har adgang til teknologien, og hvordan fordelene/risiciene fordeles socialt og globalt.
• Regulering og internationale forskelle — lovgivningen varierer mellem lande; mange steder er implantation af modificerede embryoner i en kvinde ikke tilladt, mens visse former for forskning kan være tilladt under strenge betingelser.
• Dual-use og misbrug — teknologien kan misbruges til skadelige formål, hvilket stiller krav til overvågning og ansvarlig forskning.

Genomredigering blev af Nature Methods valgt som årets metode i 2011. Teknikken anvendes allerede i forskningssammenhænge og i enkelte kliniske forsøg for somatiske behandlinger, men implantation af genetisk modificerede embryoner er i langt de fleste lande forbudt eller stærkt reguleret. Debatten om, hvordan og hvornår teknologien bør bruges, er aktiv og involverer forskere, etikere, lovgivere og offentligheden.

Hvis du ønsker, kan jeg uddybe en af metoderne (fx CRISPR‑Cas9), beskrive konkrete eksempler på anvendelser eller gennemgå den aktuelle lovgivning i et bestemt land.

Spørgsmål og svar

Q: Hvad er genomredigering?

Spørgsmål: Hvordan anvendes kunstige nukleaser til genomredigering?

Spørgsmål: Hvad er nogle eksempler på indirekte metoder, der anvendes til at forstå genernes funktion?

Spørgsmål: Hvorfor blev genomredigering valgt som årets metode i Nature Methods 2011?

Spørgsmål: Er der forskellige typer af manipulerede nukleaser, der kan anvendes til genomredigering?

Spørgsmål: Hvordan adskiller siRNA sig fra andre metoder til at forstå genfunktion?

Spørgsmål: Er det i øjeblikket tilladt at implantere modificerede embryoner i en kvinde?

Søg efter bogstav