Jennifer Doudna i Emmanuelle Charpentier otrzymali nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 2020 r. za odkrycie zmieniającej reguły gry techniki edycji genów.Credit: Alexander Heinel/Picture Alliance/DPA
To CRISPR. Dwoje naukowców, którzy byli pionierami rewolucyjnej technologii edycji genów, zostało laureatami tegorocznej Nagrody Nobla w dziedzinie chemii.
Wybór przez Komitet Noblowski Emmanuelle Charpentier, obecnie w Max Planck Unit for the Science of Pathogens w Berlinie, oraz Jennifer Doudna, na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, kładzie kres wieloletnim spekulacjom na temat tego, kto zostanie doceniony za pracę nad rozwojem narzędzi do edycji genów CRISPR-Cas9. Technologia ta pozwala na precyzyjną edycję genomu i od momentu powstania w latach 2010. przetoczyła się przez laboratoria na całym świecie. Ma niezliczone zastosowania: naukowcy mają nadzieję wykorzystać ją do zmiany ludzkich genów w celu wyeliminowania chorób; tworzenia twardszych roślin; wymazania patogenów i nie tylko.
„Możliwość cięcia DNA tam, gdzie chcesz, zrewolucjonizowała nauki przyrodnicze” – powiedziała Pernilla Wittung Stafshede, chemik biofizyczny i członek komitetu noblowskiego ds. chemii, podczas ogłoszenia nagrody. „Nożyczki genetyczne” zostały odkryte zaledwie osiem lat temu, ale już przyniosły ludzkości ogromne korzyści”.
Doudna i Charpentier oraz ich koledzy wykonali krytyczną wczesną pracę charakteryzującą system, ale kilku innych badaczy było cytowanych – i uznanych w innych głośnych nagrodach – jako kluczowi współtwórcy w rozwoju CRISPR. Należą do nich Feng Zhang z Broad Institute of MIT and Harvard w Cambridge, Massachusetts, George Church z Harvard Medical School w Bostonie, Massachusetts, oraz biochemik Virginijus Siksnys z Uniwersytetu Wileńskiego na Litwie (patrz 'CRISPR’s many pioneers’).
Doudna była „naprawdę spokojnie śpiąca”, kiedy jej brzęczący telefon obudził ją i odebrała telefon od reportera Nature, który przekazał jej nowiny. „Dorastałam w małym miasteczku na Hawajach i nigdy za 100 milionów lat nie wyobrażałam sobie, że to się stanie” – mówi Doudna. „Jestem naprawdę oszołomiony, jestem po prostu całkowicie w szoku.”
„Znam tak wielu wspaniałych naukowców, którzy nigdy tego nie otrzymają, z powodów, które nie mają nic wspólnego z faktem, że są wspaniałymi naukowcami”, mówi Doudna. Jestem naprawdę pokorny.”
Urodzony z bakterii
CRISPR, skrót od clustered regularly interspaced short palindromic repeats, to mikrobiologiczny „system odpornościowy”, którego prokariota – bakterie i archaea – używają, aby zapobiec infekcji wirusami zwanymi fagami. W swojej istocie, system CRISPR daje prokariotom zdolność do rozpoznawania precyzyjnych sekwencji genetycznych, które pasują do fagów lub innych najeźdźców i kierują te sekwencje do zniszczenia za pomocą wyspecjalizowanych enzymów.
Poprzednia praca zidentyfikowała te enzymy, znane jako białka związane z CRISPR (Cas), w tym jeden o nazwie Cas9. Ale Charpentier, pracujący najpierw na Uniwersytecie Wiedeńskim, a później w Umeå Centre for Microbial Research w Szwecji, zidentyfikował inny kluczowy składnik systemu CRISPR, cząsteczkę RNA zaangażowaną w rozpoznawanie sekwencji fagowych u bakterii Streptococcus pyogenes, która może wywoływać choroby u ludzi.
Charpentier zgłosił to odkrycie w 2011 roku i w tym samym roku nawiązał współpracę z Doudną. W przełomowej pracy z 2012 roku w Science1 duet ten wyizolował składniki systemu CRISPR-Cas9, przystosował je do funkcjonowania w probówce i pokazał, że system można zaprogramować do cięcia określonych miejsc w wyizolowanym DNA. Ich programowalny system edycji genów zainspirował gorączkę złota niezliczonych zastosowań w medycynie, rolnictwie i naukach podstawowych – a prace trwają nad udoskonaleniem CRISPR i identyfikacją innych narzędzi do edycji genów.
„Mieliśmy nadzieję, że naprawdę uda nam się przełożyć to na technologię przepisywania kodu genetycznego komórek i organizmów”, mówi Martin Jinek, biochemik z Uniwersytetu w Zurychu, który był postdocem w laboratorium Doudny i współautorem kluczowej pracy w Science. „Nie zdawaliśmy sobie sprawy z tego, jak szybko technologia ta zostanie przyjęta przez innych w tej dziedzinie, a następnie popchnięta do przodu.”
Wielu pionierów CRISPR
Nie byłoby CRISPR bez Francisco Mojicy. Ten mikrobiolog z Uniwersytetu w Alicante w Hiszpanii przyczynił się do nadania systemowi jego nazwy. W 1993 r. Mojica zidentyfikował osobliwe powtarzające się sekwencje DNA w genomie archeona Haloferax. Później wykazał, że podobne sekwencje są szeroko rozpowszechnione u prokariotów i pasują do materiału genetycznego fagów, wirusów infekujących bakterie.
W 2005 roku Mojica wysunął hipotezę, że sekwencje te są częścią systemu odpornościowego drobnoustrojów. Wraz z Ruudem Jansenem z Uniwersytetu w Utrechcie w Holandii Mojica wymyślił nagrodzony teraz Noblem akronim: CRISPR, skrót od clustered regularly interspaced short palindromic repeats. Za swoją pracę nad CRISPR Mojica podzielił się nagrodą medyczną Albany Medical Center w wysokości 500 000 USD w 2017 roku wraz z Charpentier, Doudna, Feng Zhang i Luciano Marraffini na Uniwersytecie Rockefellera w Nowym Jorku.
Doudna i Charpentier nie byli jedynymi naukowcami, którzy zdali sobie sprawę, że system CRISPR można zaprogramować do cięcia innych fragmentów DNA. W 2012 roku – mniej więcej w czasie, gdy duet opublikował swoje eksperymenty pokazujące, że system CRISPR-Cas9 może ciąć wyizolowane DNA – zespół kierowany przez biochemika Virginijusa Šikšnysa z Uniwersytetu Wileńskiego na Litwie, pokazał, jak enzym Cas9 może być poinstruowany, aby ciąć predefiniowane sekwencje DNA. W 2018 roku Šikšnys podzielił się nagrodą Kavli Prize in Nanoscience z Doudną i Charpentier.
Decyzja Komitetu Noblowskiego o nieuwzględnieniu Zhanga była jedną z największych niespodzianek. Genetyk został powszechnie nazwany, wraz z Charpentier i Doudna, jako trio najbardziej prawdopodobne, aby wygrać nagrodę Nobla za CRISPR. Zespół Zhanga, w opublikowanej na początku 2013 roku pracy Science, zmodyfikował system CRISPR-Cas9 do precyzyjnego cięcia genomu w komórkach ludzkich i mysich. Zespół Churcha opisał pracę cięcia DNA ludzkich komórek mniej więcej w tym samym czasie.
Jin-Soo Kim, inżynier genomu w Institute for Basic Science w Daejeon w Korei Południowej i jeden z pierwszych, którzy przystosowali CRISPR do edycji genomu w wielu różnych komórkach, mówi, że chociaż jest podekscytowany ogłoszeniem nagrody Nobla, był zaskoczony, że biochemik Dana Carroll na Uniwersytecie Utah w Salt Lake City został pominięty. Carroll opracował sposoby wdrażania innych enzymów, zwanych nukleazami z palcem cynkowym, w celu edycji genomów, na długo przed pojawieniem się CRISPR.
Choć CRISPR jest łatwiejszy w użyciu niż nukleazy cynkowo-palcowe, Kim mówi, że uważa Carrolla za założyciela dziedziny edycji genomów. „Nie ma wątpliwości, że Doudna i Charpentier zasługują na uznanie”, mówi. „Ale bez demonstracji edycji genomu za pomocą nukleaz cynkowo-palcowych niewiele osób mogłoby sobie wyobrazić wykorzystanie CRISPR-Cas9 do edycji genomu.”
Race to commercialize
W ciągu mniej niż dekady naukowcy wykorzystali CRISPR-Cas9 do opracowania roślin uprawnych, owadów, modeli genetycznych i eksperymentalnych terapii u ludzi. Obecnie trwają próby kliniczne wykorzystania tej techniki w leczeniu anemii sierpowatej, dziedzicznej ślepoty i raka. Doudna, Charpentier i inni w tej dziedzinie, uruchomili generację firm biotechnologicznych mających na celu rozwój techniki, aby osiągnąć te cele.
Ale technologia wzbudziła również kontrowersje – w szczególności w odniesieniu do jej rodzących się zastosowań w komórkach ludzkich. W listopadzie 2018 r. chiński biofizyk He Jiankui ogłosił, że bliźniaczki urodziły się z embrionów, które on i jego koledzy edytowali za pomocą CRISPR-Cas9. Wiadomość wywołała oburzenie: edycja embrionów budzi wiele obaw etycznych, społecznych i związanych z bezpieczeństwem, a wielu naukowców na całym świecie szybko potępiło pracę He.
We wrześniu międzynarodowy panel zwołany przez wiodące amerykańskie i brytyjskie towarzystwa naukowe ponownie stwierdził, że technologia nie jest gotowa do zastosowania w ludzkich embrionach, które są przeznaczone do implantacji.
Praca wywołała również ostrą bitwę patentową – głównie pomiędzy Broad Institute a Uniwersytetem Kalifornijskim w Berkeley – która toczy się do dziś o to, kto posiada lukratywne prawa własności intelektualnej do edycji genomu CRISPR-Cas9.
Choć Church zgadza się z tym, jak podzielono nagrodę. Chociaż jest dumny z pracy w swoim laboratorium i laboratorium Zhanga – które przystosowało system do pracy w komórkach ssaków, otwierając drzwi do modelowania i potencjalnego leczenia chorób człowieka – Church mówi, że ta praca może być sklasyfikowana jako inżynieria i wynalazek, a nie odkrycie naukowe. „Myślę, że to świetny wybór,” mówi.
To jest zawsze trudne do wyróżnienia odkrycia dla nagrody, mówi Francis Collins, genetyk i szef US National Institutes of Health w Bethesda, Maryland. „Praktycznie nic nie pojawia się znikąd” – mówi. „Trudno jest, gdy patrzysz na jakiekolwiek odkrycie, zdecydować, kogo wybrać.”
Ale jednym z unikalnych aspektów edycji genomu CRISPR-Cas9 była łatwość i wszechstronność tej techniki, dodaje. „CRISPR-Cas sprawił, że jest to o wiele łatwiejsze do zaakceptowania”, mówi Collins. „Nie ma żadnego znanego mi laboratorium biologii molekularnej, które nie zaczęło pracować z CRISPR-Cas”
.