Syöpähoitoja, malarian loppu ja mahdollisuus maailman pahimpaan biovahinkoon: Crispr tulee

Uusi biohakkerointimenetelmä tekee perimän korjailusta lastenleikkiä. Se on mahtavaa – ja pelottavaa.
Tiede 31.1.2016 12:00
Kirsi Heikkinen
DNA-molekyyli.
Crispr tekee geenien editoimisesta helppoa ja halpaa. © LK/ Horst Wittman

Tohtorikoulutettava Jere Weltner onkii laboratorion kaapista muovisen kennon, jonka koloissa näkyy tilkka nestettä. Hän kuorii kannen auki ja asettaa näytteen mikroskooppiin.

Leica-mikroskoopin silmä tarkentuu rusehtavaan liemeen. Siinä lilluu ihmisen ihosoluja, jotka on ohjelmoitu muuttumaan toisiksi soluiksi. Niistä tulee keinotekoisia kantasoluja, joiden toivotaan aikanaan poikivan hoitoja niin diabetekseen kuin syöpiinkin.

Näitä nimenomaisia ihosoluja on viritetty cas9-nimisen proteiinin avulla, jotta muuntuminen tapahtuisi tehokkaammin.

Weltner selaa harjaantuneesti näyttöä. ”Katso, tuossa on jo kantasoluja. Ja tuossa”, hän osoittaa. Tosiaan, siellä täällä pitkulaisten ihosolujen seassa näkyy pulleroisia soluryppäitä. Ne muistuttavat hieman halkaistuja valkosipulinkynsiä.

Weltner rullaa mikroskooppiin toisen näytteen. Se on verrokki, johon ei ole tehty cas9-käsittelyä. Nyt valkosipulimaisia soluja on huomattavasti harvemmassa.

Weltner on tyytyväinen. Viritys toimii niin kuin pitääkin.

Tämä on yksi esimerkki tutkimuksesta, joka nojaa niin kutsuttuun crispr-cas9-genominmuokkaukseen. Sitä hyödynnetään useassa muussakin hankkeessa täällä professori Timo Otonkosken laboratoriossa Helsingin yliopiston Biomedicumissa – kuten tällä hetkellä suurin piirtein jokaisessa bioteknisessä laboratoriossa ympäri maailmaa.

Crispr on nimittäin tehnyt geenien peukaloimisesta lastenleikkiä. Sillä voi säätää soluja tavoilla, joista on tähän asti vain unelmoitu. Sillä voidaan parantaa tauteja, kasvattaa viljasatoja ja valmistaa polttoaineita, jotka eivät tuhoa ympäristöämme – mahdollisuudet ovat rajattomat.

Crispr-cas9 valittiin vuoden 2015 tieteelliseksi läpimurroksi. Sen keksijöille povataan Nobelia. Sijoittajat – muun muassa Microsoft-miljardööri Bill Gates – ovat sijoittaneet crispriä soveltaviin startup-yrityksiin jo satoja miljoonia euroja.

Aika hyvin menetelmältä, jota ei vielä neljä vuotta sitten ollut olemassakaan.

 

’Uskomatonta, miten hyvin se toimii!” Professori Jennifer Doudnalle Kalifornian yliopistoon Berkeleyhin alkoi virrata ällistyneitä kehuja kollegoilta sen jälkeen, kun hän ja mikrobiologi Emmanuelle Charpentier ryhmineen olivat esitelleet crispr-cas9-menetelmän mahdollisuuksia Science-lehdessä kesäkuussa 2012. Charpentier työskenteli tuolloin Uumajan yliopistossa.

”Palaute heijasti omia kokemuksiamme”, Doudna totesi joulukuussa Nature-lehdessä.

Crispr-cas9 on biokemiallinen työkalu, joka on omittu ihmisen käyttöön bakteereilta. Ne käyttävät cas-proteiinia saksina, joilla ne napsaisevat sisälleen tunkeutuneen viruksen perimästä viipaleen ja pistävät sen talteen. Näin ne osaavat tunnistaa kyseisen viruksen vastaisuudessa ja puolustautua sitä vastaan.

Doudna ja Charpentier jalostivat tätä bakteerien itsesuojelujärjestelmää pidemmälle. He muovailivat kahdesta rna-molekyylistä paikantimen, ”gps:n”, joka vie proteiinisakset juuri sinne, minne tutkijat haluavat.

”Opas-rna on kuin osoitetarra, johon voidaan kirjoittaa mikä tahansa kohde perimässä”, professori Timo Otonkoski selittää.

Menetelmä katkaisee juuri halutun mittaisen pätkän dna:ta irti juuri halutusta paikasta. Sitten se liimaa dna-rihmojen päät siististi kiinni – tai ymppää niiden väliin uuden palan, jos niin käsketään.

Tämä tarkoittaa sitä, että geenejä tai niiden säätelyalueita voidaan poistaa tai korjata. Tutkijoiden mukaan crispr-cas9 pystyy leikkaamaan ja liimaamaan emäspareja yhtä tarkasti kuin tekstinkäsittelyohjelman etsi- ja korvaa -toiminto. Jotkut puhuvatkin genomin ”editoimisesta”.

”Perimää on toki osattu muokata tähänkin asti, muttei näin täsmällisesti, nopeasti ja edullisesti”, Otonkoski sanoo. Aiemmin saattoi kestää vuoden tai kaksi, ennen kuin saatiin selville, toimiiko jokin tietty muunnos solussa vai ei. Ja usein ei toiminut. Crisprillä tieto saadaan parissa kuukaudessa – ja yleensä muunnos toimii.

”Työvaihe, joka ennen vei meiltä kuukauden ja maksoi satasia hoituu nyt kahdessa päivässä 15 eurolla”, Otonkoski laskee.

 

Päivä sen jälkeen, kun professori Feng Zhang Massachusettsin teknillisestä yliopistosta kuuli crispristä ensimmäisen kerran, hän lensi Floridaan genetiikan konferenssiin. Zhang ei kuitenkaan osallistunut siellä kokouksiin, kuten oli ollut tarkoitus, vaan googlasi kuumeisesti hotellihuoneessaan.

”Istuin siellä ja luin crispristä joka ikisen tutkimuksen, jonka löysin. Mitä enemmän luin, sitä enemmän innostuin,” Zhang kertoo amerikkalaisessa The New Yorker -aikakauslehdessä.

Helmikuussa 2013 Zhang työtovereineen osoitti Sciencessa, että crispr-cas9 toimii niin ihmisen kuin hiiren soluissa. Samaa todisteli samassa lehden numerossa myös professori George Church Harvardin yliopistosta ryhmineen.

Menetelmä levisi laboratorioihin kulovalkean tavoin. Tutkijat oppivat tuota pikaa ohjelmoimaan opas-rna:t kuljettamaan räätälöintikäskyt mihin tahansa soluun missä tahansa eläimessä tai kasvissa.

Sana ”kumouksellinen” ei ole Otonkosken mielestä liioittelua, kun puhutaan crispristä. ”Olin urani aikana kokenut kaksi molekyylibiologista mullistusta. Ensimmäinen oli PCR-tekniikka, jolla kyettiin monistamaan dna:ta. Toinen oli keinotekoisten kantasolujen keksiminen kymmenen vuotta sitten. Crispr on kolmas.”

 

Uusia crispr-saavutuksia tipahtelee laboratorioista julkisuuteen lähes viikoittain. Sen avulla on muun muassa pysäytetty Duchennen lihasdystrofia – lasten yleisin lihasrappeumatauti – hiirissä sekä paikattu geenivirhe, joka aiheuttaa kaihia. Hi-viruskin sillä on jo pyyhitty ihmissoluista.

Hiivan perimää taas on editoitu siten, että se on saatu tuottamaan ”kolmannen polven” bioetanolia. Vehnästä Crisprillä taklattiin pois kolme geeniä sillä seurauksella, että vilja ei enää sairastu tuhoisaan kasvitautiin, härmään.

Tämänhetkistä ennätystä pitää hallussaan Churchin ryhmä: se muutti samanaikaisesti peräti 62:ta geeniä sian alkiossa. Tämän massiivisen muovailun tavoite on saada aikaan sellaisia elimiä, joita voidaan kasvattaa siassa ja siirtää ihmispotilaille ilman vaarallisia sivuvaikutuksia.

Marraskuussa 2015 tutkijat ilmoittivat onnistuneensa asentamaan crisprillä hyttysen soluihin ”geeniajurin”, joka tekee niistä kelvottomia malarialoisen isänniksi. Tämä ohjain lisää todennäköisyyttä, että tietty geeni periytyy jälkeläisille – hyttyskokeessa malarialoista hylkivä geeni periytyi jälkeläisille peräti 99,5 prosentin todennäköisyydellä.

Joulukuussa toinen ryhmä kertoi puolestaan kehittäneensä geeniajurin, jolla malariaa levittävien hyttysten jälkeläisistä tulee steriilejä.

Jos loinen ei elä hyttysessä tai hyttynen ei lisäänny, satoja tuhansia ihmisiä vuosittain tappava malaria saadaan vihdoin kuriin, ajurien rakentajat päättelevät.

Mahtavaa! Vai onko sittenkään?

 

Crispr-cas9 on niin uusi menetelmä, että osa tutkijoista haluaa ottaa sen käytössä aikalisän.

Viime elokuussa – ennen antimalaria-ajurien keksimistä – joukko brittiläisiä, yhdysvaltalaisia, australialaisia, itävaltalaisia ja japanilaisia tutkijoita allekirjoitti varoituksen, joka julkaistiin Science-lehdessä.

Siinä todettiin, että vaikka geeniohjaimilla onkin mahdollista pelastaa ihmishenkiä ja saada aikaan paljon muutakin hyödyllistä, muunneltujen eliöiden leviäminen luontoon saattaisi aiheuttaa arvaamattomia ekologisia seurauksia.

Mitä tapahtuisi, jos esimerkiksi antimalariahyttyset karkaavat luontoon?

Niiden kehittäjien mukaan tällaista vaaraa ei ole, koska hyttyset ovat moninkertaisessa häkissä eikä tutkittu laji edes pärjäisi hengissä laboratoriota ympäröivässä luonnossa.

Joidenkin tutkijoiden mukaan kaikkiin geeniajureihin pitää silti varmuuden vuoksi lisätä nollausnappi: mekanismi, jolla ajurin vaikutus voidaan peruuttaa, jos ongelmia ilmenee.

 

Crispr-cas9:n helppouskin on herättänyt kylmiä väreitä tutkijayhteisössä. Nature-lehden mukaan harrastelijabiohakkerit yrittävät jo parantaa sillä esimerkiksi oluen makua. Entä jos jokin meneekin pieleen?

Menetelmän äiti Jennifer Doudna sanoo ihokarvojensa nousseen pystyyn, kun hän kuunteli erään jatko-opiskelijan esittelevän työtään. Siinä crispr-räätälöinti tehtiin viruksen avulla, jota hiiri hengitti sisäänsä. Näin eläimen keuhkoihin saatiin muodostumaan kasvain, jolla voidaan tutkia ihmisen keuhkosyöpää.

Pienikin virhe, ja saattaisikin käydä niin, että syöpämalli toimii myös ihmisen keuhkoissa, Doudna tajusi.

”Kuulosti uskomattoman pelottavalta, että opiskelijat työstävät sellaisia. On tärkeää, että ihmiset ymmärtävät, mitä tämä teknologia voi tehdä”, hän korosti Naturessa.

Bioterrorisminkin mahdollisuus on ehtinyt välähtää monen mielessä.

 

Huhtikuussa 2015 kiinalaistutkijat julkaisivat Protein & Cell -lehdessä tutkimusartikkelin, jossa he kuvailivat yritystään muokata crisprillä ihmisen alkiota. Geenitutkija Junjiu Huang Sun Yat-sen yliopistosta ryhmineen halusi selvittää, voisiko perinnöllisen sairauden – hengenvaarallista anemiaa aiheuttavan synnynnäisen veritaudin – parantaa pysyvästi jo ennen ihmisen syntymää. Jos geenivirheen korjaus tehtäisiin alkion perimään, sairaudelta säästyisi paitsi lapsi itse, myös kaikki tämän lapset ja heidän lapsensa. Sairaus olisi pysyvästi poistettu.

Tulos oli yksiselitteinen: ei onnistu nykykonstein. Tutkijoiden tavoittelema muutos onnistui vain 14,3 prosentissa alkioita, ja sivuvaikutuksena niihin syntyi suuri määrä tahattomia geenivirheitä. Pulmat osoittautuivat 48 tunnissa niin suuriksi, että tutkijat lopettivat kokeensa.

Vaikka kiinalaisten koe tehtiin alun perinkin viallisilla alkioilla, joista ei koskaan olisi syntynyt lapsia, tutkimus sai aikaan metelin. Pelkkä huhu meneillään olevasta kokeesta sai tiedeyhteisön julkaisemaan vetoomuksia, ettei crispriä käytettäisi ihmisalkioihin – paitsi eettisistä ja turvallisyyssyistä, myös siksi, ettei ihan tavallistenkin solujen muokkaus saisi samassa rytäkässä kielteistä leimaa, joka voisi johtaa kaiken crispr-tutkimuksen kieltämiseen.

Science ja Nature-tiedelehdet kieltäytyivät julkaisemasta kiinalaisten tutkimusartikkelia. Sanoma- ja aikakauslehdistö nosti esiin pelon designer-vauvoista ja rodunjalostuksesta.

Monille ihmisen alkion sormeilu on eettinen raja, jota ei pidä ylittää. Joillekin syy on uskonnollinen. Toiset pelkäävät hallitsemattomia seurauksia: että jonkin geenin korjaaminen aiheuttaakin perinnöllisiä vikoja toisissa. Jotkut ovat vakuuttuneita, että jos ihmisen alkionmuokkaus sallitaan, lapsia ryhdytään jalostamaan ominaisuuksiltaan tietynlaisiksi. Se olisi paremmin ihmisillä toimivan crisprin avulla mahdollista.

Periytyvien muutosten tekeminen ihmisen alkioon tai sukusoluihin onkin useimmissa maissa laitonta, myös Suomessa. Joissakin maissa, kuten Liettuassa, alkioiden tutkiminenkin on kielletty.

”Toisaalta kiinalaisten koe nimenomaan osoitti, ettei crispr-cas9 edes toimi ihmisalkion muokkauksessa”, Otonkoski huomauttaa. Hän sanoo, ettei itse ymmärrä, miksi alkionmuokkauksesta pitäisi leipoa ratkaisua perinnöllisiin sairauksiin.

”Jos tautien siirtyminen vanhemmalta lapselle halutaan välttää, tarjolla on eettisempiä ja turvallisempiakin keinoja, kuten alkion diagnostiikka ja seulonta.”

 

Jennifer Doudna sanoo alkaneensa heräillä öisin ja miettiä, kumpaa crispr tekee enemmän, hyvää vai haittaa.

”Kun olen 90-vuotias, olenko iloinen siitä, mitä olemme saavuttaneet tällä teknologialla vai toivonko, etten olisi koskaan keksinyt, miten sitä käytetään”, hän pohti The New Yorker -lehdessä.

Ensimmäistä vaihtoehtoa edistääksen hän järjesti Yhdysvaltain kansallisen tiedeakatemian kanssa joulukuussa 2015 Washingtoniin huippukokouksen, jossa puntaroitiin crispr-cas9-menetelmän uhkia ja mahdollisuuksia. Paikalle saapui eturivin tutkijoita ympäri maailmaa. Saman pöydän ääreen sopi Doudnan ja Emmanuel Charpentierin lisäksi myös Feng Zhang, vaikka kolmikon kesken on meneillään lihava riita crispr-cas9-menetelmän pantenttioikeuksista. Ratkaisua haetaan paraikaa oikeudessa.

Kolmipäiväinen kokous välitettiin suurelle yleisölle suorana internetissä, ja kuka tahansa saattoi osallistua keskusteluun sosiaalisen median kautta.

Puheenvuorot lainehtivat molekyylibiologiasta filosofiaan ja teologiaan. Mitä ja kenen perimää saa muokata ja miten?

Filosofi John Harris Manchesterin yliopistosta väitti, ettei ituradassa – soluissa, jotka johtavat sukusoluista alkion kautta jälkeläisen sukusoluihin – ole mitään erityisen pyhää. Hänen mukaansa lisääntyminen ihan tavalliseenkin tapaan on geenilottoa, mistä syntyy usein sairauksia. ”Jos seksille olisi pitänyt hankkia lupa, sitä ei myönnettäisi, koska seksi on niin vaarallista”, hän vitsaili.

Eräs vauvansa synnynnäiseen aivovaurioon menettänyt äiti yleisöstä puolestaan tarttui mikrofoniin ja itki, että ”jos teillä kerran on taito ja tieto hävittää näitä sairauksia, niin hitto vieköön tehkää se!”

Pitkällisen pohdiskelun jälkeen tutkijat ilmoittivat kokouksen päätelauselmassa puoltavansa crisprin ja muiden vastaavien menetelmien käyttöä perustutkimuksessa, joka koskee myös dna:n muokkaamista ihmisen sukusoluissa tai alkioissa. Sen sijaan raskauden yrittäminen tällaisilla soluilla on ainakin toistaiseksi eettisesti ja teknisesti vastuutonta, he muotoilivat.

 

Vaikka ihmisen alkionmuokkaus onkin tapetilla, se ei suinkaan ole crispr-tutkimuksen ytimessä – edes lääketieteessä. Sen sijaan sen avulla yritetään kiivaasti jäljittää erilaisten tautien syitä ja löytää niihin tehokkaampia lääkkeitä.

Kirmo Wartiovaara kehittää Otonkosken laboratoriossa crisprillä geenilääkettä punasolutauteihin, joihin kuolee satoja tuhansia ihmisiä joka vuosi. Lääke toimii jo solukokeissa, mutta ihmisiä sillä päästään hoitamaan joskus ensi vuosikymmenellä – jos hyvin käy. Hoitojen, erityisesti geeniterapioiden, tutkimuksessa ja testauksessa on monta mutkaa matkassa.

Molekyylibiologiset menetelmät tarkentuvat kuitenkin koko ajan. Zhang on jo keksinyt paremmat proteiinisakset kuin cas9. Yhdysvaltalais-kiinalainen ryhmä puolestaan esitteli tammikuussa 2016 Naturessa crispristä uuden version. Se näyttäisi olevan niin tarkka, ettei se aiheuta lainkaan tahattomia mutaatioita soluihin.

Aina tutkijoiden toivoma muutos solussa ei vaadi dna:an kajoamista. Usein riittää, että jonkin tietyn geenin toimintaa vain voimistetaan tai vaimennetaan.

Tätä varten Otonkosken ryhmä, Jere Weltner ja tohtorikoulutettava Diego Balboa etunenässä, kehittivät työkalun, jolla yksittäisen geenin toimintaa voidaan säädellä halutulla tavalla. Menetelmässä hyödynnetään crispr-cas9-teknologiaa, mutta varsinainen aktivointi tapahtuu lääkeaineiden välityksellä. Työkalua käytetään muun muassa kantasolujen erilaistumisen ohjaamisessa – juuri niiden, joilla Biomedicumissa tutkitaan syövän ja diabeteksen hoitamista.

”Me tavallaan teimme entsyymisaksista niin tylsät, että ne eivät leikkaa dna:ta vaan viilaavat sen pintaa”, Weltner selittää.

Työkalu julkaistiin arvostetussa Stem Cell Reports -tiedelehdessä syyskuussa 2015.

”Ajattelimme ensin hakea menetelmälle patenttia, mutta lakimiehet valistivat, ettei meillä ole siihen tarpeeksi resursseja. Isojen yliopistojen ja yritysten kisa patenteista on niin aggressiivista”, Otonkoski sanoo.

”On kuitenkin hienoa, että jollakin tietyllä tutkimuksen saralla tällainen pienikin yliopisto voi olla iso tekijä maailmalla”, hän lisää.