| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Nobelova cena za chemii 2020 aneb vystřihovánky s genetickými nůžkami
Lucie Kulhánková
Letošní Nobelova cena za chemii je netradiční nejen proto, že se koná během celosvětové pandemie, nebo proto, že ji letos poprvé vyhrály dvě ženy. Je to i cena, která byla tak trošku očekávaná. Málokterý objev za poslední roky totiž vyvolal tolik nadšení a vědecké i etické diskuze jako objev letošních laureátek.
Vystřihovánky s genetickými nůžkami
|
Bakterie – jedna ze tří domén (nadříší) organizmů (archea, bacteria, eukaryota), jednobuněčné organizmy, které obvykle vytvářejí buněčnou stěnu, až na výjimky nemají obsah buňky rozdělený membránami na oddělené prostory. Typické tvary bakterií jsou kulové a tyčinkovité, mohou mít však i jiné tvary, například spirální. Velikost bakterií se obvykle pohybuje od zlomků mikrometrů po jednotky mikrometrů. Rozmnožují se nepohlavně. Archea – dříve též archebakterie, jedna ze tří domén (nadříší) organismů (archea, bacteria, eukaryota). Jde o jednobuněčné organismy, které obvykle vytvářejí buněčnou stěnu a nemají obsah buňky rozdělený membránami na oddělené prostory. Osidlují Zemi nejméně 3,5 miliardy let. Vyskytují se v rozmanitých prostředích včetně stanovišť s extrémní teplotou, pH nebo s vysokým obsahem solí. Přestože jsou uspořádáním buněk podobné baktériím, z hlediska kódování genetické informace mají blíže k eukaryotům, organizmům vytvářejícím buněčná jádra a jiné organely ohraničené membránou. Jednotlivý organismus se označuje archeon. CRISPR – Clustered Regurarly Interspaced Short Palindromic Repeats, palindromatická sekvence bakterií a archea, která se využívá pro genové inženýrství. Cas proteiny – proteiny asociované s CRISPR. Vážou se ke CRISPR sekvencím a poté stříhají či jinak upravují specifickou DNA. DNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace. RNA – Ribonucleic acid, ribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejiž cukernou složkou je ribóza, nukleotidy jsou obdobné jako v DNA, pouze báze thymin je nahrazena uracilem, který také umožňuje komplementaritu s adeninem. Hlavní funkcí RNA je přenos informace z DNA do dalších struktur. Na rozdíl od DNA dvoušroubovice není typickou strukturou RNA. Helikáza – enzym pohybující se podél fosfátové kostry a rozvíjející vlákna DNA od sebe. Proces je poháněn energií z ATP. Využívá se v mnoha klíčových buněčných procesech, jako jsou replikace, translace, rekombinace nebo opravy DNA. Nukleáza – enzym, který hydrolyzuje fosfodiesterovou vazbu nukleových kyselin (DNA, RNA), a tím je rozkládá. |
Kdo z vás je CRISPR a kdo je Cas
Začněme s CRISPRCRISPR – Clustered Regurarly Interspaced Short Palindromic Repeats, palindromatická sekvence bakterií a archea, která se využívá pro genové inženýrství., jde o anglickou zkratku „Clustered Regurarly Interspaced Short Palindromic Repeats“. Pokud se vám to podaří zapamatovat a vyslovit, asi vám stejně nebude o moc jasnější, co si pod tímto pojmem představit. CRISPR je palindromatickáPalindrom – slovo, věta, číslo, melodie, kód, obecně posloupnost symbolů, která dává při čtení zleva doprava i zprava doleva stejný význam. Příkladem může být slovo „nezařazen“ či věta: „Ale jak ta Katka jela.“ Nejpoužívanějším palindromem, nikoli však pro palindrom samotný, bude asi věta: „Je blbej.“ Nejpodlejším palindromem je slůvko „TAHAT“ vyvedené velkými písmeny na průhledných dveřích. V genetice se palindromovou sekvencí rozumí dvě komplementární domény umístěné na jediném řetězci. Na rozdíl od palindromu v původním smyslu je palindromová sekvence nukleotidů v opačném pořadí tvořena komplementárními nukleotidy, například TAAGCATGCTTA. sekvence DNADNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace., která se vyskytuje v genomuGenom – veškerá genetická informace uložená v DNA (u některých virů v RNA) konkrétního organismu. Zahrnuje všechny geny a nekódující sekvence. bakteriíBakterie – jedna ze tří domén (nadříší) organizmů (archea, bacteria, eukaryota), jednobuněčné organizmy, které obvykle vytvářejí buněčnou stěnu, až na výjimky nemají obsah buňky rozdělený membránami na oddělené prostory. Typické tvary bakterií jsou kulové a tyčinkovité, mohou mít však i jiné tvary, například spirální. Velikost bakterií se obvykle pohybuje od zlomků mikrometrů po jednotky mikrometrů. Rozmnožují se nepohlavně. a archeaArchea – dříve též archebakterie, jedna ze tří domén (nadříší) organismů (archea, bacteria, eukaryota). Jde o jednobuněčné organismy, které obvykle vytvářejí buněčnou stěnu a nemají obsah buňky rozdělený membránami na oddělené prostory. Osidlují Zemi nejméně 3,5 miliardy let. Vyskytují se v rozmanitých prostředích včetně stanovišť s extrémní teplotou, pH nebo s vysokým obsahem solí. Přestože jsou uspořádáním buněk podobné baktériím, z hlediska kódování genetické informace mají blíže k eukaryotům, organizmům vytvářejícím buněčná jádra a jiné organely ohraničené membránou. Jednotlivý organismus se označuje archeon. na mnoha místech v několika opakováních. Mezi takovými opakováními jsou pak krátké sekvence, které jsou pro dané místo specifické. Těm se také říká spacery, tyto sekvence jsou původem fragmenty virů, které napadají bakterie. Vědcům, včetně laureátky Jennifer Doudna, kteří si těchto sekvencí všimli již na konci osmdesátých let, vrtalo hlavou, k čemu tak asi v buňkách mohou sloužit. Postupně se také objevily buněčné proteinyProteiny – bílkoviny, velké organické molekuly tvořené aminokyselinami uspořádanými do lineárních útvarů. Tyto dlouhé řetězce jsou pospojovány peptidovými vazbami (vazba karboxylové skupiny jedné molekuly a aminoskupiny druhé molekuly). asociované s těmito sekvencemi. Takovým proteinům se říká CRISPR asociované (CasCas proteiny – proteiny asociované s CRISPR. Vážou se ke CRISPR sekvencím a poté stříhají či jinak upravují specifickou DNA.) proteiny. Proteiny v buňkách fungují trošku jako dělníci, mají svůj úkol a funkci a Cas proteiny nejčastěji fungují jako helikázyHelikáza – enzym pohybující se podél fosfátové kostry a rozvíjející vlákna DNA od sebe. Proces je poháněn energií z ATP. Využívá se v mnoha klíčových buněčných procesech, jako jsou replikace, translace, rekombinace nebo opravy DNA. nebo nukleázyNukleáza – enzym, který hydrolyzuje fosfodiesterovou vazbu nukleových kyselin (DNA, RNA), a tím je rozkládá.. Takové proteiny rozvolňují DNA anebo jí stříhají. A pak jsme již jenom kousek k osvětlení funkce celého tohoto systému. Tady pomohl výzkum Emmanuelle Charpentie na zákeřné bakterii Streptococcus pyogenes. Právě v ní objevila další buněčnou molekulu skrývající se pod zkratkou tracrRNA, nebo také trans-aktivující RNA. Ta se váže k palidromatické sekvenci CRISPRu a aktivuje ho. Pak se konečně může navázat na Cas protein a vytvořit onen slavný CRIPR/Cas komplex. Ten se potom pomocí spaceru naváže na odpovídající vir, který danou bakterii napadne a Cas pak může virovou DNA nebo RNA rozstřihnout a zneškodnit. Jde o užitečný imunitní systém bakterií.
Genetické nůžky
Kdyby objev skončil u vysvětlení imunitní obrany bakterií, asi by se dnes laureátky neradovaly z Nobelovy cenyNobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2021 činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela.. Skutečný průlom přišel díky jejich spolupráci na vytvoření systému in vitro v laboratoři. Největší částí tohoto experimentu byla ale výměna oné původně virové sekvence za jinou, a hlavně jakoukoliv RNA. Dnes se takové sekvenci říká guide RNA, tedy vodicí nebo navádějící. A to skutečně dělá. Guide RNA je komplementární a váže se ke specifické sekvenci DNA v libovolné buňce, ať již bakteriální nebo třeba lidské a Cas proteinCas proteiny – proteiny asociované s CRISPR. Vážou se ke CRISPR sekvencím a poté stříhají či jinak upravují specifickou DNA. potom na specifickém místě tuto sekvenci rozstřihne. Proto se také CRISPR-Cas systému říká genetické nůžky. S pomocí CRISPR-Cas si vědci mohou přesně vybrat místo, kde chtějí genetický kód změnit a jak. Pokud se provedou dva takové střihy na každé straně sekvence určitého genuGenom – veškerá genetická informace uložená v DNA (u některých virů v RNA) konkrétního organismu. Zahrnuje všechny geny a nekódující sekvence., můžeme tento gen takzvaně knock-outovatKnock-out/knock-in – vyřazení nebo naopak zařazení aktivního genu do organizmu., tedy úplně vystřihnout z genomu. Naopak můžeme před genem stříhnout jednou a následně vložit sekvenci, která způsobí jeho vyšší produkci, či přidat gen úplně nový. Do té doby mohli vědci modifikovat genetickou informaci pomocí selekce a náhodných mutací, což je složitý a často zdlouhavý proces. Další možností pak byly Zinc-finger nebo TALEN nukleázy, jejichž systém je o poznání složitější a náročnější na provedení. Tento objev nejen otevřel dveře genovému inženýrství, ale přímo strhl celou oponu.
Princip genetických nůžek
Nové objevy
CRISPR-Cas9 je dnes asi nejpoužívanější varianta tohoto systému, i když Cas proteinů existuje mnoho, v praxi se používají i další. Cas9 se ale vyznačuje velkou specifičností a předvídatelností místa střihu. Možnosti pro využití CRISPR-Cas systémů jsou v podstatě neomezené. Od onoho průlomového experimentu v roce 2012 se hojně diskutuje o využití při léčbě různých genetických onemocnění nebo kupříkladu v rostlinné biologii a v zemědělství při selekci rostlin odolných vůči klimatickým změnám. Jednou kuriózní aplikací jsou pokusy o vymýcení malárie. Cest je několik, například modifikace sexuálních chromozomů komárů, která by vedla k postupné eradikaci, nebo změna v genu, která by zabránila přenosu plasmodia a tedy i malárie. Ačkoliv se to možná zdá jako velmi lákavá možnost, důsledky pro celý ekosystém jsou těžko předvídatelné. Metoda také samozřejmě najde svoje uplatnění v základním výzkumu při zkoumání funkcí různých genů.
Další možnosti pak přichází s novými verzemi Cas proteinůCas proteiny – proteiny asociované s CRISPR. Vážou se ke CRISPR sekvencím a poté stříhají či jinak upravují specifickou DNA., u nichž lze například dosáhnout změny pouze jedné báze nebo regulovat expresiExprese – exprese genu, převod genetické informace z DNA do funkční podoby. To může znamenat pouhý přepis do RNA, která sama může mít v buňce funkci, či následný přepis RNA do proteinu. Gen, u něhož právě probíhá exprese, se označuje jako exprimující gen. našeho genu v přítomnosti Cas proteinu s neutralizovanou schopností DNA stříhat. Takový neutralizovaný Cas protein potom pouze na DNA „sedí“ a zabraňuje jejímu přepisu do RNA.
Etika
Jedním z nezpochybnitelných témat okolo CRISPR-Cas systému je také etika. Přeci jen téměř neomezené editování genomu není jen tak. Často pak člověk vidí články, spekulující o tom, kdy si nastávající rodiče budou moci vybrat, jak jejich dítě bude vypadat, nebo kdy začneme geneticky mutovat vojáky v armádě. Tohle jsou možná poněkud nerealistické představy, ale přeci jen před dvěma lety pomocí CRISPR-Cas byly poprvé modifikováni lidé. Lépe řečeno dvojčata počatá pomocí in vitro fertilizace HIV pozitivnímu otci a HIV negativní matce. Při fertilizaci byl embryím pozměněn gen, díky čemuž získali resistenci vůči HIV. Publikace tohoto experimentu rozvířila diskuzi o legislativě, která se musí věnovat využívání genového inženýrství. Zatím je od roku 2018 CRISPR-Cas v evropské legislativě veden ve stejné kategorii jako GMOGMO – Geneticky modifikované organizmy, tedy organizmy vytvořené pomocí genového inženýrství..
Emmanuelle Charpentie
Emmanuelle Charpentier (*1968)
Emmanuelle Charpentier je francouzká mikrobioložka a genetička. Narodila se dne 11. prosince roku 1968 ve francouzském Juvisy-sur-Orge. Během své akademické kariéry prošla devíti instituty a pracovala v pěti zemích. Studovala na Sorbonně a doktorát získala v roce 1995 na Pasteurově institutu za práci na molekulárních mechanizmech antibiotické rezistence. Poté na stejném institutu pracovala další rok. Sama říká, že jejím snem bylo vést ve stejném institutu vlastní laboratoř. Proto se také rozhodla, jak bylo v té době zvykem, strávit nějaký čas v zahraničí a sbírat zkušenosti. Nicméně osud měl s Emmanuelle Charpentier jiné plány. Výzkum ji zavedl do New Yorku na Rockefellerovu univerzitu, kde zkoumala vliv mobilních elementů patogenů na změny genomu. V roce 1997 se laboratoř stěhovala do Tennessee, a tak se Charpentie na dva roky přesunula do Medical center Newyorské univerzity, kde zkoumala genovou regulaci na myších. Po pěti letech ve Spojených státech se přesunula zpátky do Evropy, tentokrát do Institutu mikrobiologie a genetiky ve Vídeňské univerzitě, kde působila jako vedoucí laboratoře dalších sedm let. V roce 2006 se po dalších dvou letech stala docentkou. V roce 2009 se rozhodla k dalšímu přesunu, tentokrát do Švédska, do Centra mikrobiologie v Umea, kde také publikovala svůj první článek o CRISPR. V roce 2011 se na konferenci Americké mikrobiologické společnosti poprvé setkala s Jennifer Doudna, která je druhou laureátkou letošní ceny. Společně pak objevily systém CRISPR-CAS9. V roce 2013 spoluzaložila CRISPR Therapeutics. Ve stejném roce se také přesunula do německého Hannoveru na Lékařskou univerzitu, kde dva roky vedla vlastní katedru, než ji vítr zavál do Institutu Maxe PlanckaMPI – Max Planck Institute, největší síť vědeckých ústavů v Německu s pobočkami v mnoha velkých městech. Zahrnuje celkem 80 ústavů, jde o německou obdobu naší Akademie věd. v Berlíně. Nyní působí jako ředitelka Institutu infekční biologie Maxe Plancka v Berlíně
Jennifer Doudna
Jennifer Doudna (*1964)
Jennifer Doudna je americká biochemička narozená dne 19. února 1964 ve
Washingtonu. Většinu mládí ale strávila na Havaji. Vystudovala chemii na
Státní polytechnické univerzitě v Pomoně v Kalifornii, kde málem změnila
obor a vystudovala francouzštinu, nakonec však zůstala u vědy a doktorát
získala v roce 1989 na Harvardově univerzitě. Následně pracovala na Harvardu
a v Massachusettské obecní nemocnici. Mezi lety 1991 a 1994 pak působila na
Coloradské univerzitě v Boulderu, kde pracovala s Thomasem Cechem, který
získal Nobelovu cenu za chemii v roce 1989. Ve své vědecké práci se věnovala
struktuře a funkci ribozomů. V roce 1994 se nejprve stala docentkou a o šest
let později profesorkou. V roce 2002 se přesunula na Kalifornskou univerzitu v BerkeleyUCB – University of California at Berkeley. Požadavky na vznik Kalifornské univerzity pocházejí již z roku 1849, vlastní univerzita byla založena v roce 1866, nejznámější část (UCLA) sídlí v Los Angeles. Berkeleyská část vznikla v roce 1873., kde působí dodnes. Je také ředitelkou Institutu inovativní genomiky,
působí v Lawrencově národní laboratoři v BerkeleyLBNL – Lawrence Berkeley National Laboratory. Jedna z nejproslulejších světových laboratoří založená v roce 1931 Ernestem Orlando Lawrencem, nositelem Nobelovy ceny za fyziku pro rok 1939 za vynález cyklotronu. Laboratoř je řízena Kalifornskou univerzitou a dodnes v ní pracovalo 12 nositelů Nobelovy ceny. a v Glandstonském
institutu, dále je profesorkou buněčné a molekulární farmakologie na
Kalifornské univerzitě.
Odkazy
- Nobel media: Genetic scissors: a tool for rewriting the code of life; Nobel prize 2020
- Nobel Media: Scientifc Background on the Nobel Prize in Chemistry 2020, A Tool for Genom Editing
- Nature: speciální číslo věnované CRISPR, 2016
- Hakim Manghwar et al.: CRISPR/Cas System: Recent Advances and Future Prospects for Genome Editing; Trends in Plant Science 24/12 (2019) 1102–1125
- BROAD Institute: CRISPR Timeline
- Patrick D. Hsu, Eric S. Lander, Feng Zhang: Development and Applications of CRISPR-Cas9 for Genome Engineering; Cell 157/6 (2014) 1262–1278
