Įsivaizduokite, kad kiekvieno mūsų genetinė informacija – tai tarsi biblioteka, kurioje keliuose šimtuose kruopščiai surašytų knygų galime rasti informaciją apie tai, kas mes esame: nuo akių spalvos iki polinkio į tam tikras ligas. Jei šiose knygose įsivelia bent viena klaida, ji gali lemti rimtas mūsų sveikatos problemas. Ilgą laiką tokių klaidų ištaisyti nebuvo įmanoma, tačiau tai pasikeitė atsiradus genų žirklių technologijai. Vilniaus universiteto (VU) profesoriaus Virginijaus Šikšnio su komanda atrastos genų žirklės veikia kaip tikslus redaktorius, leidžiantis taisyti DNR klaidas tarsi tekstą kompiuteryje.  

Įdomiausia, kad ši 2020 m. Nobelio premija įvertinta technologija buvo atrasta ieškant atsakymų į visiškai kitus mokslo klausimus. Šis proveržis gimė tyrinėjant jogurto gamyboje naudojamų bakterijų kovą su virusais. Dabar technologija jau taikoma genetinėms ligoms gydyti, o VU mokslininkai toliau ieško būdų, kaip padaryti genų terapiją greitesnę, pigesnę ir prieinamą kiekvienam. Galbūt ateityje DNR redagavimas taps tokia pat įprasta procedūra, kaip gydymas vaistais ar skiepijimas.  

Žmogaus DNR medžiaga užima net 200 knygų  

Paklaustas, kodėl mokslui prireikė genų žirklių, prof. V. Šikšnys sako, kad atsakymas slypi žmogaus DNR. DNR yra tarsi žmogaus gyvenimo planas, kuriame užkoduota visa esminė informacija: mūsų išvaizda, sveikata, polinkis į ligas ir net būdo savybės.  

„Mūsų DNR yra tarsi milžiniškas tekstas, kurį sudaro vos keturios „raidės“ – A, C, G ir T, o jų deriniai yra be galo ilgi. Pvz., žmogaus DNR yra maždaug 3 milijardai raidžių. Jei šį genetinį kodą išspausdintume knygų pavidalu, jis užimtų net 200 knygų po 350 puslapių“, – sako mokslininkas. 
 

DNR, kaip ir kompiuterinė programa, veikia nepriekaištingai tol, kol joje nėra klaidų. Tačiau kai tik jų atsiranda – dėl natūralių mutacijų ar paveldimų genetinių defektų, gali sutrikti normali žmogaus organizmo veikla, išsivystyti genetinė liga.   

„Įsivaizduokime: jeigu turime visą ilgą DNR, t. y. didžiulį tekstą – 200 knygų, ir joje atsiranda viena klaida, kyla klausimas, kaip tą klaidą rasti. Versti vieną puslapį po puslapio – kiek laiko tai užtruktų, o kai klaida pagaliau būtų rasta, kaip ją ištaisyti jau išspausdintame tekste?“ – retoriškai klausia profesorius.    

Mokslininkai ilgą laiką ieškojo būdų, kaip aptikti ir ištaisyti šias klaidas žmogaus genome, tačiau iki šiol neturėjo tam reikalingų įrankių. 

Genų žirklės atrastos jogurto indelyje?  

Prof. V. Šikšnys atvirauja, kad jeigu kas nors būtų pasakęs, jog reikia surasti genų redagavimo įrankį, tikriausiai nebūtų buvę aišku, nuo ko pradėti ar kur jo ieškoti. Didžiausi mokslo atradimai neretai padaromi ne tikslingai bandant rasti ką nors konkretaus, o bandant suprasti mus supantį pasaulį ir ieškant atsakymų į bendrus mokslinius klausimus.  

 

„Taip nutiko ir šį kartą. Mokslininkai sprendė problemą, su kuria susiduria pieno pramonė, kur bakterijos naudojamos kaip pagrindiniai darbo įrankiai sūrių ar jogurtų gamyboje. Šias, kaip ir kitas bakterijas bei žmones, puola mirtini jų priešai – virusai. Įsivaizduokite: jei pieno raugo bakterijas, kurios naudojamos pramoninėje jogurto gamyboje, staiga užpuola virusas – bakterijos žūsta, jogurto gamybos procesas nutrūksta ir visą produkciją tenka išpilti. Toks scenarijus pramonėje sukeltų didžiulius nuostolius, todėl mokslininkai ėmė ieškoti šios problemos sprendimo būdų, t. y. kaip apsaugoti bakterijas, kurios naudojamos jogurto gamyboje, nuo virusų“, – pasakoja biochemikas.

 

Anot jo, šių tyrimų metu 2007 m. Prancūzijos mokslininkai atrado įdomų bakterijų apsaugos nuo virusų mechanizmą – CRISPR. Jie pastebėjo, kad bakterijos savo genome išsaugo viruso DNR fragmentus ir, kai virusai puola antrą kartą, jos juos atpažįsta ir sunaikina.  

„Skaitant apie šiuos tyrimus, kilo klausimas – o kaip bakterijos tai daro?  Ar šis mechanizmas galėtų veikti bet kokiame kitame genome? Todėl parašiau Prancūzijos mokslininkams laišką su prašymu pasidalinti bakterijų pavyzdžiais, kuriuos norėjome patyrinėti išsamiau“, – apie tyrimų pradžią pasakoja profesorius. 
 

Genų žirklės veikia kaip teksto redagavimo programa  

Kai tos bakterijos atsirado VU Gyvybės mokslų centro profesoriaus V. Šikšnio laboratorijoje, mokslininkai pradėjo tirti jų apsaugos nuo virusų (CRISPR) sistemą ir pamatė, kad kai kuriais atvejais bakterijas nuo virusų apsaugo vienas baltymas.  

„Mūsų tyrimai atskleidė, kad bakterijos, norėdamos apsiginti nuo virusų, naudoja specialų baltymą – Cas9. Jis veikia tarsi genų „žirklės“ – atpažįsta viruso DNR ir ją perkerpa, taip sunaikindamas bakteriją užpuolusį virusą ir neutralizuodamas grėsmę. Tai įvyksta dėl to, kad bakterijos išsaugo viruso DNR fragmentą savo genome, kaip atmintinę. Šis fragmentas vėliau paverčiamas į RNR molekulę, kuri susijungia su Cas9 baltymu, ir tampa „adresu“, kuris atpažįsta užpuolusio viruso DNR, o tada Cas9 baltymas ją sunaikina. Tai reiškia, kad Cas9 yra „programuojamas“ pasitelkiant RNR molekulę: pakeitus RNR, jis nukeliautų į kitą konkrečią DNR vietą ir perkirptų DNR. Taigi šitaip genų žirkles galima nukreipti į bet kurią DNR vietą, pvz., tą vietą, kur yra klaida, sukelianti paveldimas genetines ligas. Taip genų žirklėmis galime tiksliai redaguoti genetinę informaciją, panašiai kaip taisome klaidas tekste naudodami kompiuterio redaktorių“, – apie savo laboratorijoje padarytą atradimą pasakoja prof. V. Šikšnys.  

Šį tyrimą VU mokslininkai 2012 m. aprašė žurnale „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America“ paskelbtame straipsnyje. Jis parodė, kad Cas9 baltymo vykdomą DNR kirpimą galima panaudoti programuotam genomo redagavimui. Tai suteikė mokslininkams galimybę redaguoti DNR taip, kaip niekada anksčiau – pasiekti tikslumą, kuris anksčiau atrodė neįmanomas.  

Kas pirmieji atrado genų žirkles?  

Šis genų žirklių atradimas panašiu metu (2012 m.) buvo nepriklausomai padarytas bent dviejose pasaulio universitetų laboratorijose. Todėl kilo natūralus klausimas, kas pirmieji tai padarė.  

Kaip pasakoja profesorius, dėl pirmumo mokslo atradimuose ne visada vieningai sutariama. Kai mokslininkai baigia tyrimą, jie pateikia straipsnį mokslo žurnalo redakcijai, kuri užfiksuoja jo pateikimo datą. Jei straipsnis vertas dėmesio, jis siunčiamas recenzentams. Gavę pastabų iš recenzentų, mokslininkai pataiso tekstą ir tuomet pažymima kita svarbi data – straipsnio priėmimo spaudai laikas. Galiausiai trečioji data nurodo, kada straipsnis publikuojamas.  

„Dažnai pirmumo faktu laikoma straipsnio pateikimo redakcijai data, nes ji žymi momentą, kai tyrimas išeina iš laboratorijos ribų“, – paaiškina prof. V. Šikšnys.  

Vis dėlto kai kurie mano, kad lemiama yra publikacijos data. Tad klausimas, kas pirmasis atrado genų žirkles, išlieka atviras. VU mokslininkų straipsnis, aprašantis genų žirklių technologiją, pasaulinių mokslo žurnalų redakcijas pasiekė pirmasis, tačiau buvo išspausdintas vėliau nei analogiški Nobelio premijos laureačių tyrimai.  

Patvirtintos terapijos genetinėms ligoms gydyti  

Būtent genų žirklių technologija tapo vienu svarbiausių pastarojo dešimtmečio mokslinių proveržių, kuris jau pasiekė ir klinikas – prieš kelis metus JAV buvo patvirtintos dvi terapijos, skirtos pjautuvinei anemijai ir beta talasemijai gydyti – abiem šioms kraujo ligoms būdinga mutacija hemoglobino gene.  

„Šiuolaikinės genų terapijos, kurios jau taikomos klinikinėje praktikoje, dažniausiai grindžiamos vadinamąja ex vivo terapija. Pavyzdžiui, gydant pjautuvinę anemiją, iš paciento paimamos kaulų čiulpų kamieninės ląstelės, kurios gamina raudonuosius kraujo kūnelius. Laboratorijoje mokslininkai ištaiso tų ląstelių DNR esančią klaidą ir šias genetiškai pakoreguotas ląsteles sugrąžina atgal į paciento organizmą“, – kaip vyksta gydymo procesas, pasakoja biochemikas.  
 

Pasak jo, kol kas tai yra sudėtingas, daug kainuojantis ir ilgas procesas – ląsteles reikia ne tik išimti iš žmogaus organizmo, bet ir padauginti, atlikti genetinius pakeitimus, o visa tai turi vykti griežtai kontroliuojamomis laboratorinėmis sąlygomis, kad būtų išvengta infekcijų ar kitų komplikacijų.  

„Toks gydymo ciklas gali trukti apie mėnesį ar net ilgiau, tačiau kai kurie pacientai, sergantys sunkiomis ligos formomis, tiek laukti negali“, – sako prof. V. Šikšnys. Todėl genų terapija nuolat tobulinama, siekiant padaryti ją greitesnę ir pigesnę.  

Galima ne tik iškirpti, bet ir nutildyti arba suaktyvinti genus 

Šiuo metu mokslininkai toliau tobulina genų žirkles ir jau gali pažeistą DNR vietą ne tik iškirpti arba pakeisti, bet ir „nutildyti“ arba aktyvuoti tam tikrus genus. Kaip tai veikia? Pavyzdžiui, gydant minėtą pjautuvinę anemiją galima aktyvuoti kūdikystėje veikusią, tačiau vėliau natūraliai išjungtą hemoglobino geno versiją.  

„Jei suaugusiųjų hemoglobino genas turi mutaciją, mes galime aktyvuoti kūdikystėje turėtą hemoglobino geną, kuris palaipsniui buvo natūraliai nuslopintas. Tada žmogaus organizme pradedamas gaminti natūralus, klaidos neturintis hemoglobinas, ir tai leidžia pacientams išvengti ligos simptomų. Tokia terapija jau bandoma klinikoje“, – pasakoja prof. V. Šikšnys.  

Genų „nutildymo“ technologija leidžia ir laikinai sustabdyti tam tikrų genų veiklą. 

„Jei norime tik laikinai išjungti geną, galime panaudoti modifikuotą Cas9 baltymą, kuris neperkirps DNR grandinės, bet tiesiog prisijungs prie norimos vietos ir trukdys ląstelės mechanizmams perskaityti klaidingą genetinę informaciją. Tai suteikia galimybę subtiliau reguliuoti genų veiklą, nepadarant negrįžtamų pakeitimų DNR ir išvengiant galimų pažaidų sveikose genomo vietose“, – aiškina profesorius.  

Kaip tobulinama genų redagavimo technologija?  

Kaip pasakoja prof. V. Šikšnys, vienas iš tyrimo būdų, kurį bando mokslininkai – genų žirkles nunešti į žmogaus audinius ar organus ir DNR klaidas taisyti tiesiai žmogaus organizme. Tai leistų ligas gydyti daug greičiau ir pigiau. Vienas didžiausių iššūkių – kaip užtikrinti, kad genų redagavimo įrankis pasiektų tik reikiamas ląsteles, nepaveikdamas viso organizmo.  

„Žmogaus organizme yra trilijonai ląstelių. Jei norime ištaisyti klaidą, tarkime, kepenų ar širdies raumenų ląstelėse, reikia užtikrinti, kad įrankis nepatektų į kitus audinius. Šiuo metu ieškoma būdų, kaip tiksliai nukreipti redagavimo mechanizmus į konkrečių organų ląsteles“, – pasakoja pašnekovas.  

Vienas iš galimų sprendimų – metodai, panašūs į taikytus RNR vakcinose, kai veiklioji medžiaga supakuojama į daleles, nukreipiančias ją į reikiamą organą. Taip pat tyrinėjama galimybė panaudoti žmogui nepavojingus adenovirusus, tačiau jie yra per maži ir į juos įprasti dideli genų redagavimo įrankiai netelpa. Dėl to VU mokslininkai ieško mažesnių ir efektyvesnių jų alternatyvų.

„Į Cas9 panašių baltymų yra daug ir mūsų komanda jau identifikavo kelis variantus, tris kartus mažesnius už įprastus genų redagavimo įrankius“, – sako profesorius. 

Ateityje genų terapija gali tapti ne tik tikslesnė, bet ir labiau prieinama. Anot prof. V. Šikšnio, dabar genų redagavimo technologijomis paremtos terapijos kainuoja labai brangiai: „Tačiau jei išmoksime koreguoti genus tiesiog žmogaus organizme, ši terapija galėtų tapti rutininiu gydymo metodu, plačiai taikomu medicinoje.“