Bakteritelt on õppida midagi, mis aitab inimese geene ravida

Veel põlvkond tagasi ei kujutanud inimesed elu kaugeltki ette niisugusena, nagu see infotehnoloogia võimalusi arvestades tänapäeval on. Tähekombinatsioon IT on aga juba luitumas, kuna see on nii iseenesestmõistetav. Maailma on raputamas hoopis järgmine revolutsioon, mis leiab aset bioloogias. Uus tähekombinatsioon CRISPR alles tõuseb inimeste teadvusesse, osutades tehnoloogiale, millega on võimalik ravida raskeid geenihaigusi, disainida beebisid ja ümber kujundada biosfääri.

Teejuht-RNA leiab DNA-ahelast üles just õige koha. Foto: Kaader filmist «Inimloomus».

Hiljuti PÖFFil ka Tartus linastunud USA režissööri Adam Bolti tõsielufilm «Inimloomus» pani mõtlema ja küsima, kas meeletu kiirusega areneva teaduse kõrval areneb ka inimese võime teha õigeid otsuseid ja rakendada tehnoloogiat vastutustundlikult.

Mis on CRISPR?

Ka Tartu ülikooli molekulaar- ja rakubioloogia instituudi teadlased kasutavad oma laborites CRISPR Cas9 tehnoloogiat, et uurida, mis ülesandeid üks või teine geen täidab. Filmi «Inimloomus» järel kommentaare jaganud Tartu ülikooli molekulaar- ja rakubioloogia instituudi biotehnoloogia dotsent Tõnis Org on selle tehnoloogia suhtes suur optimist.

«CRISPRi tehnoloogia kasutajail saavad olla ainult head eesmärgid,» ütles ta. «Muidugi selleks, et häid eesmärke ellu viia, tuleb enne palju katsetada. Mis kusagil laboris päriselt tehakse, seal on piiri tõmmata väga raske.»

Ometi leiab Tõnis Org, et inimkonna tulevik on põnev ja uued võimalused raskete haiguste ravimiseks lootustandvad. Mõtleme kas või väikese Eesti tüdruku Annabeli peale, kes käis TÜ kliinikumi lastefondi toel Ameerika Ühendriikides sel suvel geeniravi saamas ning keda toetasid väga paljud Eesti inimesed, et ta elu päästa ning uudne ravim, mille hind küündis üle kahe miljoni euro, talle võimaldada.

«Kui läheme seda teed, et ütleme, et inimene on halb ja tehnoloogia on halb, siis – kui inimest Maal ei oleks, kui siin ei oleks ühtegi mõtlevat olendit, kas siis sel eksistentsil oleks üldse mõtet?» küsis Tõnis Org.

Et CRISPR lahti seletada, tuleb inimesed kõrvale jätta ja alustada bakteritest, kes on pealtnäha primitiivsed üherakulised organismid, aga paljuski targad. Asja tuuma mõistmiseks tasub enne meelde tuletada bioloogiaõpiku mõned põhitõed, mille leiab kõrvalolevast infokastist. Kui need üle korratud, on järgnev loodetavasti sama põnev kui senine algus.

Kui mõelda, et inimene on halb ja tehnoloogia on halb, kas siis, kui Maal ei oleks ühtegi mõtlevat olendit, on eksistentsil üldse mõtet, küsis biotehnoloogia dotsent Tõnis Org.

Just paljude mikroorganismide ehk bakterite DNAs on teadlased avastanud imelikke lõike, millele nad ei osanud panna muud nime kui CRISPR. Eesti keelde ümber panduna on need niisugused DNA-lõigud, mis on nii päri- kui tagurpidi lugedes ühesugused ning omavahel kogumina seotud. Inglise keeles Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats.

«Inimloomuse» filmi ja tänase loo kontekstis kuulub selle tähekombinatsiooni juurde veel Cas9. Viimane on valk ehk ensüüm, mis lõikab katki DNA-ahela molekuli sees. Kokku võttes on CRISPR Cas9 bakterite immuunsüsteem, mis aitab neil võidelda viirustega.

Viiruste eesmärk on teatavasti leida endale peremeesorganism, kus hakata paljunema, peremees tappa ning liikuda edasi, hõivates ja tappes aina uusi ja uusi baktereid. Teadlased panid tähele, et osa neist baktereist jäävad niisuguse rünnaku tulvas ellu. Miks? Neil baktereil näis olevat mälu, kuna nad tunnevad neisse sisenenud viiruse DNA ära ja muudavad selle kahjutuks.

Nüüd tuleb raske osa

Need erilised DNA-lõigud bakteri DNAs ehk CRISPR on tegelikult viirustest pärit DNA-jupid, mille bakter on enda genoomi liitnud. Nendelt, viiruselt võetud DNA-juppide pealt luuakse ehk transkribeeritakse RNA, mis moodustab kompleksi Cas9 valguga.

Seesama RNA ja valgu kompleks asub nüüd ründaja viiruse DNAd üle kontrollima. Niipea kui ta tunneb ära ründajaviiruse DNA-jupi, millelt transkribeeritud RNAd valk ise kannab, lõikab ta sissetungija DNA katki ja viirusega on lood ühel pool.

Teadlased mõistsid CRISPR Cas9 süsteemi geniaalsust, nad said aru, et kui tõsta niisugune tööriist bakteri rakust ümber inimese rakku ning panna see seal inimese DNAst mõnd konkreetset kohta otsima, siis laheneb ära üks väga keeruline probleem.

Selle konkreetse koha all saab silmas pidada ka ühtainust nukleotiiti ehk tähte selles kolmemiljardilises nukleotiidipaaride džunglis. Ja kui see täht asub vales kohas, olles tekitanud vigase geeni ja mõjutades nii inimorganismi normaalset toimimist, siis on selle väljenduseks sageli raske haigus.

Kui teadlastel on nüüd tööriist selle ühe koha ülesleidmiseks, siis äkki suudavad nad vigase geeni selles kohas ka kuidagi parandada? CRISPR Cas9 meetodi endaga ei paranda veel midagi. DNA lõigatakse hoopis katki, ja see on sama suur õnnetus, mis inimesega võib juhtuda liigselt päevitades: UV-valgus tekitab DNAsse katkeid, rakk proovib neid küll ära parandada, aga see ei pruugi õnnestuda, tekivad mutatsioonid, areneb nahavähk.

Dokumentaalfilmi «Inimloomus» kommenteeris publiku ees Tartu ülikooli biotehnoloogia dotsent Tõnis Org. Vestlust suunas Tartu Postimehe reporter Aet Rebane. Foto: Sille Annuk

Parandamise teed

Tõnis Org selgitas, et parandamisteid on tegelikult mitu. Nii nagu inimesed teevad arvuti kõvakettast koopia juhuks, kui arvutiga midagi peaks juhtuma, nii on ka igas rakus tagavarakoopia olemas, mida parandamisel kasutada. Aga rakku saab viia lisaks CRISPR Cas9 süsteemile ühe jupi DNAd, kus see katkine koht on juba parandatud. Nüüd kopeerib rakk oma DNAd parandama asudes puuduoleva informatsiooni sellelt jupilt ning asetab katkilõigatud kohale tagasi ka õige nukleotiidi.

Teadlased mõistsid, et kui tõsta CRISPR Cas9 süsteem bakteri rakust ümber inimese rakku, siis laheneb ära üks väga keeruline probleem.

Kui see kõik nii lihtne on, siis mis geeniravis üldse enam rasket on? Keeruline on see, kuidas niisugust tehnoloogiat erinevat tüüpi rakkudesse viia, vastas Tõnis Org. Kui ravida näiteks neeruhaigust, tuleb see tehnoloogia sisse viia just neerurakkudesse, aga kuidas? Selle nimel murravad teadlased veel pead.

Põhjus, miks CRISPR Cas9 meetodiga on esialgu püütud ravida verehaigusi, peitub selles, et vererakkudeni on lihtne jõuda. «Inimloomuse» filmiski sai kaasa elada teismelisele poisile Davidile, kes põdes sirprakulist aneemiat, mis tähendas, et tema veri ei suutnud kudedesse hapnikku viia.

Järgmine meetod, millega teadlased tegelevad, on see, et püütakse luua spetsiifilisi viirusvektoreid. See tähendab, et viirusest eemaldatakse kõik halb, mida viirus organismiga teha võib ning alles jääb vaid ülekandesüsteem. Sellisele kahjutule viirusele pannakse kaasa CRISPR ja teejuht-RNA ning viirus saadetakse inimorganismis just neisse rakkudesse, kus probleem vajab lahendamist.

Annabeli geeniparandus

Eesti tüdrukul Annabelil avastati haruldane geenihaigus nimega spinaalne lihasatroofia siis, kui ta oli kolmekuune. Tema haigus ei lasknud areneda käte, jalgade ja kaelalihastel. Annabelil on läinud aga hästi, ravi Ameerikas sai suvel mööda ja ravijärgne aeg on näidanud häid tulemusi.

Tõnis Oru sõnul ei kasutatud Annabeli puhul küll süsteemi CRISPR Cas9, vaid just neidsamu viirusvektoreid, mis viisid tüdruku organismi koopia normaalselt funktsioneerivalt geenilt, mis oskab toota seda õiget, puuduolevat valku. Vanemate kirjelduse järgi teame, et Annabelil on hakanud minema paremini: ta on aktiivsem, tõstab pead, liigutab käsi ja jalgu ning ka ta rinnaümbermõõt on kasvanud, mis on tunnistus sellest, et lapse kopsud arenevad.

Geeniravimeid tuleb järjest juurde. Need on jõudnud ka vähiravisse, kus saab CRISPR Cas9 tehnoloogiat kasutada immuunrakkude ümberprogrammeerimiseks, et immuunrakud vähirakke paremini ära tunneksid.

Bioloogiaõpiku peatüki kordus

• DNA on desoksüribonukleiinhape ehk pärilikku informatsiooni säilitav aine, mille lülideks on nukleotiidid: adeniin (A), guaniin (G), tsütosiin (C) ja tümiin (T).
• Inimese DNA on kaksikspiraal ehk nagu niit, kus kaks kiudu on keerdunud teineteise ümber. See niit koosneb kolmest miljardist nukleotiidipaarist, mida on kaks koopiat, üks paariline pärit emalt ja teine isalt, kokku kuus miljardit nukleotiidi. Nukleotiidide paarid on komplementaarsed, mis tähendab, et A on alati paaris T-ga ning C on alati paaris G-ga.
• DNA peamine ülesanne organismis on kodeerida valke.
• Valgusünteesiks on vajalik RNA ehk ribonukleiinhape, mis ei ole aga kahe-, vaid üheahelaline nukleotiidide jada, ning mis moodustub DNA ühe ahela matriitsina. Seda moodustumist nimetatakse transkriptsiooniks ning see on esimene samm selles suunas, et geenid saaksid hakata avalduma. RNA on DNA ja valgu vahepealne produkt.
• Inimese DNAs on geene 20 000 – 25 000. Geenid on pärivustegurid, mis määravad otse või kaudselt või koostöös teiste geenidega inimese ühe või mitme tunnuse avaldumise ja arengu.
• Kui panna kõrvuti kahe inimese DNA ehk kõik kolm miljardit nukleotiidipaari, siis neid võrreldes leiab erinevusi vaid 0,6 protsendi ulatuses.
• 0,6 protsenti kogu inimese DNAst näib väike osa, aga kolmest miljardist aluspaarist tähendab see siiski 20 miljonit nukleotiidipaari, mis teevad iga inimese unikaalseks. See omakorda tähendab, et inimese ükskõik millise tunnuse määramisel, alates ta pikkusest ja intelligentsusest ning lõpetades haigustega, on mängus kümned tuhanded nukleotiidid. Kui tahta inimese üht või teist tunnust muuta, oleks vaja muuta vahel üht, aga mõnikord võib-olla isegi sadat tuhandet tähte. Aga kus need tähed täpselt asuvad või kuidas neid üles leida, on seni olnud mõistatuste džungel.
• CRIPR Cas9 on biotehnoloogiline tööriist, mille põhimõtte laenasid teadlased bakteritelt. See on abimees, mis suudab kolmemiljardilises nukleotiidipaari seast üles leida ka ühe tähe asukoha.

Allikas: Tõnis Org, Vikipeedia

Kommentaar

Kärt Tomberg, geeniteadlane Foto: Erakogu

Kärt Tomberg,

geeniteadlane Cambridge'i ülikoolis

CRISPRi tehnoloogial põhinevad lahendused pakuvad juba praegu uusi lähenemisvõimalusi paljudes eluvaldkondades ning tulevikus kindlasti veelgi enam. Kõige kiiremini on loomulikult näha olnud panust teaduses ning biotehnoloogilistes rakendustes, aga oodata on ka palju olulisi tulemusi näiteks põllumajanduses. Teisisõnu, meditsiin on vaid üks valdkond, kus CRISPR uudsust ja inimestele lootust jagab.

Usun, et sel tehnoloogial saab olema roll ka meditsiini tulevikus ning teatud üksikute raskete haiguste vastu võitlemisel. Mitmed varajases staadiumis kliinilised uuringud on selles suunas praegu jõudsalt liikumas. Samas on enamiku raskete geneetiliste haiguste vastu võitlemiseks juba eksisteerivas inimeses vaja veel üht suurt tehnoloogilist läbimurret, sedakorda transpordis: isegi kui suudame CRISPRi muuta ülitäpseks ja efektiivseks, pole veel lahendusi, kuidas CRISPRi reagente ehk vajalikke molekule iga inimese rakuni viia. Kas ja millal selle saavutame, on võimatu ette ennustada.

Kui räägime inimese geneetilisest muundamisest viljastatud munaraku tasemel, kehaväliselt, siis tehnilisest vaatenurgast on see lihtsam väljakutse. Viljastatud munarakke on CRISPRiga muundatud mitmeid kordi ning vähemalt ühel korral on ka muundatud munarakkudest sündinud kaksikud tüdrukud.

CRISPRi tehnoloogia suurim atraktiivsus, aga ka oht seisneb selles, et tegemist on suhteliselt lihtsa ja kättesaadava meetodiga. Seega on vägagi võimalik, et kuskil keegi peab atraktiivseks teatud geenimuutustega inimeste loomist. On tõepoolest mõned füüsilised tunnused, mille saab saavutada vaid ühe väikese geneetilise muutusega.

«Inimloomuse» filmis väljakäidud näited selliste geenidega inimestest, kellel puudub valutundlikkus või kellel on vaid neljatunnine unevajadus või suurem lihasmass, olid kõik realistlikud ning seetõttu ka teoreetiliselt teostatavad. Samas tuleb meeles pidada, et enamik omadusi, mida disaineribeebide puhul mainitakse, nagu pikkus ja intelligentsus, ei ole saavutatavad ainult ühe geeni muutusega, vaid vajaksid pigem sadu kuni tuhandeid muutusi.

Et kahtlasi lubadusi andvad disaineribeebide kliinikud ei saaks kusagil kanda kinnitada, peab teadlaskond ja ühiskond laiemalt tegelema selgitustööga ning ka eetiliste seisukohtade loomisega.