Prof. V. Šikšnys – apie labiausiai džiuginančius CRISPR-Cas9 laimėjimus ir naujausius tyrimus

Su prof. V. Šikšniu pasikalbėjome jo darbo kabinete Vilniaus universiteto Gyvybės mokslų centre (VU GMC).

– Papasakokite, kaip CRISPR-Cas9 technologija vystėsi nuo pat pradžių?

– Suprasti, kaip atsiranda technologijos – svarbus ir įdomus klausimas. Žmonės galbūt galvoja, kad mokslininkai ateina į laboratoriją, sugalvoja technologiją, o kitą dieną ji jau yra įgyvendinta. Iš tikro, tos technologijos dažniausiai atsiranda ieškant atsakymų į labai bendrus biologinius klausimus – bandant suprasti mus supantį pasaulį ir aplinką. CRISPR-Cas9 technologija yra puikus to proceso pavyzdys, nes atsirado tyrinėjant kaip virusai sąveikauja su bakterijomis.

Visi žinome, kaip virusai veikia žmones – tai ypač akivaizdžiai parodė COVID-19 pandemija. Tačiau virusai sąveikauja ir su bakterijomis – tai yra akimis nematomas pasaulis, kuriame vyksta tokie pat konfliktai, kaip ir mūsų pasaulyje.

Tam tikri virusai puola bakterijas, kad galėtų pasidauginti. Kitaip tariant, jei nebūtų bakterijų, virusų irgi nebūtų. Kai virusai bakterijoje pasidaugina, jie dažnai tą bakteriją „nužudo“. Evoliucijos eigoje bakterijos išmoko susikurti gynybinius barjerus, kurie leidžia apsiginti nuo viruso, bet jis nuolat stengiasi gynybą įveikti. Kartais tai vadinu „ginklavimosi varžybomis“ – kai kiekviena pusė ieško būdų apsisaugoti nuo priešo arba jį nugalėti, o tai verčia priešą surasti naujų ginklų, ir taip vyksta be galo... Taip virusai ir bakterijos kartu evoliucionuoja.

Ši kova svarbi ir mūsų praktiniame gyvenime. Kai valgome jogurtą, galbūt ne dažnai susimąstome (nebent parašyta ant pakuočių), kad jam pagaminti panaudotos gyvos bakterijos. Fermentacijos metu pienas užkrečiamas bakterijomis, kurios gali jį surauginti į jogurtą. Jei į šį procesą patenka virusai, bakterijos nužudomos, fermentacija nueina veltui – tiesiog sugadintas pienas. Ši problema svarbi visai maisto pramonei.

Žmonės, kurie pirmą kartą pastebėjo, kad CRISPR-Cas9 sistemos veikia kaip bakterijų apsauga prieš virusus, dirbo kompanijose, kurios gamina pieno pramonei reikalingas užkrato kultūras. Jie, tirdami bakterijų kultūrų DNR, pamatė, kad bakterijose kažkaip atsiranda viruso DNR gabaliukai. Mokslininkai tada pradėjo gilintis, kaip gali būti, kad bakterijos turi viruso DNR segmentus. Galiausiai nustatyta, kad šalia tų sričių, kur įsistato DNR fragmentai, yra tam tikri genai. Tai buvo pirmieji duomenys, kad CRISPR sistema apsaugo bakterijas nuo viruso.

– O kaip CRISPR-Cas9 susidomėjote jūs?

– Mes įsijungėme 2007 m., kai buvo paskelbtas pirmasis CRISPR-Cas sistemas aprašantis straipsnis žurnale „Science“. Perskaitęs tą straipsnį, labai susidomėjau. Jo autoriai teigė, kad bakterijos turi savo apsaugos sistemą, bet niekas nesuprato, kaip ji veikia. Man buvo smalsu pabandyti tai suprasti. Tada paprašėme straipsnio autorių, kad jie atsiųstų tų bakterijų kultūrų, išsigryninome baltymus ir biocheminiais metodais pradėjome juos tirti.

Suradome, kad vienas iš CRISPR-Cas sistemų baltymų – Cas9 – veikia kaip pagrindinis apsaugos sistemos elementas. Jis gali virusą atpažinti ir sunaikinti. Baltymas atpažįsta užpuoliką panaudodamas trumpą kitos nukleorūgšties RNR molekulę, kuri yra kaip viruso DNR piršto atspaudas. Įvykus atpažinimui, viruso DNR yra sukarpoma. Supratome, kad, jei pakeisime tą RNR fragmentą, kuris atpažįsta virusą, galėsime nukreipti Cas9 baltymą į bet kurią DNR vietą. Taip gimė idėja, kad tai gali būti programuojamas įrankis DNR karpymui. Savo pirmame straipsnyje tai ir aprašėme.

Aišku, kadangi atsirado lengvai programuojamas įrankis, mokslininkai iš karto jį paėmė į savo rankas ir pradėjo naudoti kaip įrankį, kuris leidžia kryptingai keisti genomus ne tik bakterijose, bet ir žinduolių ląstelėse.

Noriu pabaigti tuo, nuo ko ir pradėjau – CRISPR-Cas9 technologija atsirado, nes mes ir kiti mokslininkai ieškojome atsakymų į bendrus biologinius klausimus: šiuo atveju, norėjome suprasti, kaip bakterijos ginasi nuo virusų. Man atrodo, taip dauguma technologijų ir sukuriama. Viskas prasideda nuo bendrų fundamentinių tyrimų, jų pagrindu atsiranda taikomieji tyrimai, o jų pagrindu atsiranda technologijos. Jei nors vieną grandį išeliminuotume, nieko gero nebūtų.

– O jus, kaip vieną technologijos pradininkų pasaulyje, kokie CRISPR-Cas9 laimėjimai džiugina labiausiai?

– Kaip tik grįžau iš mūsų organizuotos konferencijos – „CRISPR-Cas9: nuo biologijos iki įrankių žmonių ligų gydymui“.

Pirmą straipsnį apie CRISPR-Cas9 paskelbėme 2012 m. Dabar, praėjus vos 11 metų, ši technologija jau atsidūrė klinikoje. Visai neseniai buvo paskelbta, kad Jungtinėje Karalystėje įregistruota pirmoji CRISPR technologija, paremta paveldimų ligų gydymo terapija, kuri gali būti taikoma klinikoje.

Aišku, žmonėms 11 metų gali atrodyti labai ilgai, bet iš tikrųjų, tai yra labai trumpas laiko tarpas. Vos per 10 metų pereita nuo biologinio proceso suvokimo iki klinikinių terapijų.

CRISPR-Cas9, visų pirma, taikoma paveldimoms genetinėms ligoms, kurios susijusios su pokyčiais DNR molekulėje. Mano minėta terapija, kuri jau aprobuota Jungtinės Karalystės klinikoje, skirta pjautuvinės anemijos ir beta-talasemijos gydymui. Tai iki šiol buvo nepagydomos ir gyvybei pavojingos ligos, o ligoniams dažnai padeda tik kraujo perpylimai.

Pjautuvinė anemija yra kraujo liga, kuri atsiranda dėl mutacijos hemoglobino gene. Panaudojant CRISPR-Cas9 technologiją, organizme aktyvuojamas kelias, kurio pagalba pagaminamas normalus hemoglobinas. Klinikiniai tyrimai parodė puikius rezultatus, daugeliui pacientų jau metus nebereikia transfuzijų. Įsivaizduokite, kaip jiems pagerėjo gyvenimo kokybė.

– Gal galite smulkiau papasakoti, kaip veikia CRISPR-Cas9 terapija?

– Už raudonųjų kraujo kūnelių gamybą atsakingos kamieninės ląstelės, kurios yra mūsų kaulų čiulpuose. Jei tų ląstelių DNR yra klaida, kuri sukelia hemoglobino mutaciją, tai raudonuosiuose kraujo kūneliuose jau bus hemoglobinas su mutacija, kuri sukels ligą.

Dabar mokslininkai paima kaulų čiulpų ląsteles, laboratorijoje jas pakeičia ir vėl persodina atgal į žmogaus kaulų čiulpus. Pakeistos ląstelės pradeda gaminti gerą hemoglobiną turinčias kraujo ląsteles. Tokia terapija yra ilga ir sudėtinga, bet rezultatas yra puikus. Kitaip žmogus nuo tos ligos negalėtų pagyti.

– O kaip yra su genetiniais sindromais, pavyzdžiui – Dauno. Ar įmanoma su CRISPR-Cas9 ir tokias sudėtingas ligas išgydyti, kurios paveikia ne tik fizinius, bet ir intelektinius žmogaus sugebėjimus?

– Priežastis, kodėl mokslininkai susikoncentravo į kraujo ligas, yra tai, kad kai kurias iš jų, kaip pavyzdžiui, pjautuvinę anemiją, sukelia viena vienintelė mutacija. Ištaisius tą vienintelę mutaciją, žmogus bus sveikas. Kitos ligos, kaip Dauno sindromas, turi genetinį pagrindą, bet tai yra sudėtingi pokyčiai, kurių žmogaus genome yra labai daug. Vienu metu pakeisti visus – sudėtinga. Aišku, galvojama, kaip tai padaryti, bet čia yra ateities klausimai.

Dar viena priežastis yra ta, kad, gydant kai kurias kraujo ligas, ląsteles, kurios atsakingos už, pavyzdžiui, raudonųjų kraujo kūnelių gamybą, galima išimti iš kaulų čiulpų, jas „pataisyti“ laboratorijoje ir sugrąžinti į žmogaus organizmą. Jei norėtume tą pačią terapiją pritaikyti tų ląstelių neišimant – reiktų kitų įrankių.

Pavyzdžiui, jei norime panaudoti CRISPR-Cas technologiją ištaisyti DNR klaidas kituose audiniuose ar organuose, turime rasti būdus, kaip tą įrankį “nukreipti” į tam tikrą organą Jei kaulų čiulpų ląsteles galima išimti – smegenų ar širdies juk neišimsi. Taigi tas įrankis, jei jį, pavyzdžiui, suleistume į kraują, turėtų kažkaip specifiškai atpažinti tam tikras ląsteles – kaip kepenų ar smegenų.

– Tai mokslininkai ieško būtų, kaip įrankį nunešti į specifinius organus?

– Taip. Vienas iš būdų, kurį bandoma pritaikyti, yra paremtas iRNR vakcinų technologija – ką jau daug kas išbandėme. Vakcinose yra lipidų nanodalelės, į kurių vidų įdėta iRNR molekulė, koduojanti tam tikrą baltymą. iRNR yra kaip informacija, pagal kurią susintetinamas baltymas, kuris iššaukia reakciją, kas vėliau mums suteikia apsaugą nuo tikro viruso.

Mokslininkai turi idėją įdėti genetines žirkles į lipidines daleles ir suleisti kaip vakciną. Šiuo metu jie ieško būdų, kaip jas galėtume nukreipti į tam tikrus organus. Lipidinės dalelės, kaip ir visi riebalai, dažnai savo kelią žmogaus organizme baigia kepenyse. Todėl, kaip minėjau, ir CRISPR įrankiai, supakuoti į lipidines nanodaleles, jau greitai bus naudojami kepenų ligų gydymui.

– Tačiau lieka klausimas, kaip CRISPR-Cas9 nunešti į smegenų ląsteles?

– Tam išbandomi įvairūs įrankiai. Mokslininkai nusprendė, kad galbūt galima panaudoti virusus. Yra virusų, kurie mums nepavojingi, nes su jais gyvename, bet juos galima perprogramuoti – kad nešiotų ne genetinę medžiagą, reikalingą viruso pasidauginimui, o DNR molekulę, kuri koduoja genų žirkles. O virusai gali būti specifiniai tam tikriems organams ar audiniams – pavyzdžiui, širdžiai, smegenims, akims ir kt. Tokiu būdu jie galėtų nunešti DNR žirkles į konkretų organą.

Žodžiu, visi stengiasi pastumti terapiją į tą pusę, kad ląstelių nereikėtų išiminėti, o žmogui būtų galima padėti greitai.

– Pakalbėkime apie jūsų tyrimus, ką dabar tyrinėjate?

– Kaip ir sakiau, genų žirkles galima įdėti į virusą, kad nuneštų į reikiamą organą. Bet virusai, kurie taikomi terapijai, turi savų apribojimų… Kai kurie iš jų yra pakankamai nedideli, į juos neįdėsi didelės DNR molekulės. Tiesiog netelpa! O CRISPR-Cas9 įrankis yra gana didelis.

Dabar ieškome įrankių, kurie tilptų į virusą. Vienas iš įrankių, kuriuos aprašėme straipsniuose „Nature“ žurnale (2021 ir 2023 m.), yra labai mažas lyginant su tradiciniais dabar naudojamais įrankiais. Jis nėra CRISPR sistemų dalis, o ateina iš kitų DNR elementų, kurie vadinami „mobiliais genetiniais elementais“. Iš tikrųjų, tai – CRISPR sistemų protėviai. Juose koduojamas mūsų minimalus įrankis. Nustatėme jo funkcijas ir struktūrą. Tikimės, kad tai sukurs papildomas galimybes lengviau „supakuoti“ įrankį į virusus. Dabar mokslininkai aktyviai tai tyrinėja. Taip pat toliau ieškome naujų įrankių su unikaliomis savybėmis.

– Ką jūs kalbate – labai įdomu ir svarbu visuomenei. Kaip manote, ar visuomenės informuotumas genų inžinerijos temose yra svarbu? Ar tai gali padėti gauti daugiau finansavimo tyrimams?

– Taip. Lietuva jau turi labai ambicingus planus – kad gyvybės mokslų pramonė 2030 metais pasiektų 5 proc. BVP. Ši sritis dabar vis geriau finansuojama. Tikimės, kad tai pasiteisins, ir Lietuva galės tapti aukštųjų technologijų šalimi, kuri išnaudotų dabartinį akademinį ir verslo potencialą.

Aišku, čia yra labai svarbu turėti tiesioginį ryšį su visuomene. Mokslininkai galbūt ne visi yra labai geri komunikatoriai, jie kartais kalba per sudėtingai, kad suprastų didžioji dalis visuomenės. Tai, ką darote jūs yra labai svarbu… Senais laikais, kai daug žmonių nemokėjo skaityti, buvo kategorija žmonių, kurie aiškino Bibliją. Jie skaitydavo Bibliją ir paaiškindavo žmonėms suprantama kalba. Manau, kad jūs ir kiti žurnalistai tai ir darote – bandote paaiškinti visuomenei, ką mokslininkai daro, ir kodėl tai svarbu mums visiems. Juk ryšys su visuomene ir apsprendžia, ar mokslininkų sukurtos technologijos bus priimtinos žmonėms, ar ne.

– Ačiū už pokalbį.

– Ačiū jums!

Kalbėjosi Goda Raibytė-Aleksa