CRISPR - genvägen till genprogrammering
Att bakterier spelar en viktig roll i människans hud- och tarmsystem har länge varit känt. Men ny forskning tyder på att även bakteriers immunsystem kan bidra till lösningar på mänskliga sjukdomar. Förra året fick CRISPR-mekanismen sitt stora genombrott inom medicinsk forskning, och nu har Uppsalaforskare hittat en metod som kan reglera hur DNA används bakterieceller. Resultaten publiceras i tidskriften Nucleic Acids Research.
Jordens ekosystem är beroende av bakterier, men mer detaljerad kunskap om dessa mikroorganismers egna försvarssystem dröjde till in på 2000-talet. Först 2007 kunde forskare visa hur bakteriers immunsystem oskadliggör virus genom att klippa av DNA-sekvenser, vars information sedan lagras i bakteriens arvsmassa. Mekanismen fick namnet CRISPR, förkortning för Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, och utnämndes till årets genombrott 2013 av vetenskapstidsskrifterna Science och Nature.
– Människans immunsystem kräver att en massa olika celler pratar med varandra för att lära sig känna igen virus, så det var svårt att tro att något liknande fanns hos encelliga bakterier, säger Magnus Lundgren, mikrobiolog vid institutionen för cell- och molekylärbiologi på Uppsala universitet. Till skillnad från människans antikroppsbaserade system kan bakteriers anpassningsbara immunsystem känna igen virus-DNA, spara det och sen leta efter liknande sekvenser. Och så fort bakterien infekteras av ett DNA som innehåller en liknande sekvens så förstörs det.
Virus-försvar blir verktyg
På en datorskärm på Biomedicinskt centrum visar Magnus Lundgren en animering över hur processen går till. Ett virus attackerar en cell och injicerar sitt DNA. Detta sänder en signal till cellen att utveckla mer virus, något som ofta gör att cellen dör. Men under tiden har korta bitar av virusets genetiska information tagits upp av cellens kromosom. Då dessa blivit en del av cellens genetiska kartotek, kommer proteiner som tillverkas av kromosomen att identifiera nya virus. Systemet översätter virus-DNA till RNA-molekyler som triggar Cas-proteiner att hitta och klippa sönder inkräktarnas arvsmassa.
– Det jag och mina kollegor fokuserar på just nu är det här steget, alltså själva adaptionen när cellen lär sig känna igen viruset. Hur hittar cellen viruset, hur klipper den ut och sätter in DNA:et? Det är många kemiska steg som ska utföras av olika proteiner.
CRISPR-systemet saknas i såväl människor som växter, djur eller celler liknande våra. Men Magnus Lundgrens forskargrupp testar om det finns några principiella hinder för att sätta in det i exempelvis jästceller som har samma egenskaper och grundläggande struktur som mänskliga celler.
– Även om det dröjer tills vi kan ge några besked så finns det indikationer på att det skulle kunna funka som ett immunsystem. Systemet är så simpelt att vi forskare ju lätt kan gå in och ändra vad det här systemet ska klippa för någonting, vilket egentligen är vad som helst.
Ambitionen är dock att ytterligare förstå hur bakteriers försvarsmekanism mot virusattacker skulle kunna användas för att förändra och styra genuppsättningen i olika organismer.
– Om vi tillför en bit DNA samtidigt som vi klipper kommer cellen att använda den snutten som en lagningslapp. Och då kan vi helt enkelt göra precis den modifiering av DNA i cellen som vi vill.
Effektivare blockering med ny metod
Nu har Magnus Lundgren och hans kollegor tagit rönen vidare ett steg. I början på december publicerade hans grupp en artikel i vetenskapstidskriften Nucleic Acids Research där de visar hur det målsökande proteinet Cascade kan användas för att stänga av geners uttryck. Idén kom för två år sen, något Magnus Lundgren beskriver som en ”i-duschen-upptäckt”, följt av en mängd experiment och insamling av data.
– Som genetiker och forskare vill man ju kunna stänga av gener och se vad de gör för någonting. Men man vill inte ta bort en viktig gen helt, för då dör cellen. Så vi förvandlade helt enkelt systemet från att klippa DNA till att bara binda DNA till den plats vi ville.
För att en gen ska aktiveras måste proteinet RNA-polymeras känna igen och läsa genen. Men forskargruppen har funnit att om proteinet Cascade förs in i cellen och binder till RNA-polymerasets landningsplats, så hindras genen från att avläsas.
– Vårt system skiljer sig från det som baseras på proteinet Cas9. I det systemet modifieras proteinet Cas9 som bryter ner DNA:et. Istället har vi testat att ta bort Cas3, vilket har fungerat jättebra, säger Magnus Lundgren.
– Sen är vårt protein mycket större och blockerar RNA-polymeraset mycket effektivare. Cascade-systemet är också mer specifikt, så det är lättare att använda det på rätt plats.
Oöverskådlig potential
Utvecklingen av CRISPR-baserade verktyg tror han kan ge svar på vilka proteiner som orsakar vissa sjukdomsgener, till exempel vilken mutation som orsakar cystisk fibros. Skulle det gå att stoppa in proteinet Cas9 i de muterade cellerna tillsammans med en bit DNA som motsvarar den friska genen nästan alla människor bär på skulle den trasiga genen bytas ut och sjukdomen försvinna, menar Magnus Lundgren.
– Problemet är förstås att lyckas förändra tillräckligt många celler. Men förut visste man inte ens hur man skulle göra förändringen. Nu vet man att man kan göra den på odlade celler. Och det senaste genombrottet är själva programmeringen. För det är inget som säger att vi inte skulle kunna gå in och sätta in vilka DNA-sekvenser vi vill, och tala om för den här molekylen att känna igen vad som helst.
Gruppens labbarbete har utförts på BMC där forskarna även fått använda SciLifeLabs teknikplattform BioVis för en del av analyserna. Den har de snabbt fått tillgång till vid behov vilket varit väldigt uppskattat av gruppen, enligt Magnus Lundgren. Men vanlig labbutrustning har för det mesta räckt långt.
– Det här är ett enkelt och rättframt verktyg och ett typiskt exempel på värdet av grundforskning. Om man för tio år sedan hade sagt ”vi ska utveckla ett fantastiskt revolutionerande genetiskt verktyg”, så hade man aldrig lyckats, för man hade inte vetat vad man skulle börja leta efter.
– Det fanns inga strategiska finansieringar, utan det var helt enkelt efter mycket forskning som man snubblade på CRISPR och insåg systemets potential.
För mer information, kontakta Magnus Lundgren
Läs artikeln i Nucleic Acids Research
Mer om Magnus Lundgrens forskning
Anneli Björkman