CRISPR/Cas9 ritar om den gentekniska kartan

År 2012 publicerades en vetenskaplig artikel som kom att förändra livsvetenskaperna. Författarna Emmanuelle Charpentier och Jennifer Doudna beskrev en relativt enkel och tillgänglig teknik för att ändra, redigera, DNA-sekvensen på specifika ställen i genomet hos vilken organism som helst. En sådan sekvensändring kallas mutation och kan resultera i en ändrad eller helt ny egenskap. Det kallas för genomredigering eller genredigering.

Ett försvarssystem i bakterier och arkeér

Förlagan till tekniken finns hos prokaryoter (bakterier och arkeér) som en del av deras immunförsvar mot virus. Det består av enzymer (endonukleaser) som kan klippa sönder virusets DNA. Små bitar av virus-DNA sparas efter en infektion i prokaryotens eget genom som ett minnesbibliotek. Själva biblioteket kallas CRISPR och en förkortning av engelskans Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat.

Enzymerna kallas Cas, som är en förkortning av CRISPR-associerad sekvens, där Cas9 är det mest kända. Cas9 bildar ett komplex med det RNA som tillverkas från CRISPR-biblioteket. Det gör att CRISPR/Cas-komplexen kan känna igen sekvensen hos ett angripande virus och snabbt klippa sönder dess DNA. I cellen finns många CRISPR/Cas-komplex med olika specificitet för de virus som tidigare infekterat bakteriestammen.

Teknik för att ändra i DNA-sekvensen

Det Charpentier och Doudna gjorde var att omvandla CRISPR/Cas9 från bakterien Stafylococcus pyogenes till ett gentekniskt verktyg som fungerar även i växt- och djurceller och inte bara i bakterier.

För att använda verktyget måste forskaren designa ett guide-RNA som mycket specifikt kan binda till den sekvens där man önskar få en mutation. Guide-RNA:t bildar sedan ett komplex med Cas9-enzymet, och styr det till rätt DNA-sekvens där dubbelspiralen tvinnas upp.

När guide-RNA:t basparar fullständigt med ena DNA-strängen aktiveras enzymet och klipper upp båda DNA-strängarna. Cellen försöker då reparera skadan, men lagningsprocessen sker fort och blir ofta fel. Det innebär att en mutation frekvent uppstår och därmed har DNA-sekvensen redigerats på det specifika ställe som bestämts av det guide-RNA som forskaren designat.

Det som gör tekniken så flexibel är att det är relativt enkelt att både designa och tillverka ett guide-RNA för den specifika redigering man vill utföra. År 2020 tilldelades Emmanuelle Charpentier och Jennifer Doudna Nobelpriset i kemi för utvecklingen av den här revolutionerande tekniken för genomredigering.

Genomredigering skiljer sig från rekombinant-DNA-teknik eftersom det innebär en genetisk förändring i organismens egna DNA. Inget nytt DNA måste introduceras och resultatet blir därför inte en transgen organism.

Redan på 1990-talet utvecklades de allra första teknikerna för genomredigering, som ZFN (zinkfingernukleaser) och TALEN (en förkortning för engelskans transcription activator-like effector nuclease).

De teknikerna är inte lika användarvänliga som CRISPR/Cas9 och har inte fått samma spridning. Det beror bland annat på att igenkänningsmolekylen, den som letar upp en specifik plats i genomet består av ett protein. Ett protein är betydligt svårare att designa och tillverka inför varje redigering, jämfört med ett RNA som är den målsökande molekylen i CRISPR/Cas9.

I och med utvecklingen av tekniker för att sekvensera DNA som skett under de senaste decennierna har databaser med oerhört stora mängder digitala DNA-sekvenser, inklusive många arters hela genomsekvens etablerats. Den informationen, tillsammans med kunskapen om många olika geners funktioner var avgörande för att guide-RNA skulle kunna designas med precision, och är avgörande för teknikens genomslag.

Genomredigerade produkter på marknaden

CRISPR/Cas9 är numera ett ovärderligt verktyg inom biologisk och medicinsk grundforskning, men används också för mer tillämpade syften inom bioteknik, syntetisk biologi och förädling av växter, och i mindre utsträckning lantbruksdjur och fiskar.

De första genomredigerade växterna som godkändes för att komma ut på marknaden var en sojaböna som redigerades med TALEN-teknik för att få ändrad oljesammansättning (USA, 2019) och en CRISPR/Cas9-redigerad tomat (Japan, 2021) med hög halt av ämnet GABA, gammaaminosmörsyra. GABA är en signalsubstans som visat sig fungera lugnande och ge minskad stress.

År 2021 godkände Japan också två fiskar som genomredigerats med CRISPR/Cas9 för att utveckla större muskelmassa eller växa snabbare. Många olika genomredigerade växter och djur utvecklas nu i snabb takt och ytterligare några har fått godkännanden för att komma ut på marknaden i olika delar av världen. Inga har godkänts inom EU.

Även inom det medicinska området har CRISPR/Cas9 förändrat spelplanen. Runt årsskiftet 2023/2024 godkändes den första genomredigerande behandlingen mot de svåra blodsjukdomarna sicklecellanemi och beta-thalassemi, i USA, Storbritannien och EU. Ett hundratal potentiella genomredigerande behandlingar mot andra sjukdomar prövas kliniskt runtom om i världen.

Den här tekniken gör det också möjligt att introducera genetiska förändringar som ärvs av nästa generation även för människor. Det kan förebygga genetiska sjukdomar, men väcker stora etiska frågor, och det är idag inte tillåtet att göra ärftliga genetiska förändringar.

CRISPR/Cas9 utvecklas vidare

CRISPR/Cas9 har banat väg för helt nya möjligheter inom en mängd forskningsområden men nu arbetas på att ta fram ännu mer effektiva och säkra verktyg, som använder liknande teknik.

De senaste åren har till exempel basredigering utvecklats där Cas9-enzymet inaktiverats så att det inte klipper av DNA-strängarna. I stället transporterar Cas9 andra enzymer som ändrar specifika baser i DNA-sekvensen. På ett liknande sätt kan Cas9 föra med sig enzymer som ändrar specifika geners epigenetiska status som styr hur aktiva generna ska vara utan att ändra i DNA-sekvensen.

Andra Cas-enzym har också börjat användas som kan ha ännu större specificitet, är mindre och därför lättare tar sig i celler, eller klipper i RNA i stället för DNA. Det utvecklas också tekniker för att introducera stora DNA-sekvenser, som hela gener, på specifika ställen i genomet, som en uppdaterad, mer specifik transgenteknik. Det finns i många sammanhang en önskan att undvika de snåriga patenten som omgärdar CRISPR/Cas9, och utveckla andra liknande system för redigering.