Lähes kaikki elämän informaatio maapallolla voidaan kirjoittaa kirjainten C, G, A ja T avulla. DNA eli deoksiribonukleiinihappo on molekyyli, joka saa kissan maukumaan, tammenterhon muuttumaan puuksi ja ihmisen kävelemään. DNA on elämän käsikirjoitus.
DNA mahdollistaa elämän, mutta se voi myös päättää sen. Geenivirheet, jotka voivat olla seurausta virheellisestä kopioinnista, saattavat olla kantajalleen kohtalokkaita. Muutaman kirjaimen muutos DNA:n kaksoiskierteessä voi olla ero pitkän ja terveen elämän ja äkillisen kuoleman välillä.
Aivan kuten kukaan ei voi valita vanhempiaan, emme myöskään voi valita geenejä, joita isältämme ja äidiltämme saamme. Tai näin olemme tottuneet ajattelemaan.
Geeniterapian uusin harppaus on Crispr/Cas9-niminen tekniikka, joka mahdollistaa geenien tarkan muokkauksen. Uuden menetelmän avulla voimme muokata DNA-rihmaa, poistaa sieltä vaarallisia osia ja korjata ne vaarattomilla. Voimme myös lisätä geeniin omia muokkauksiamme, jotka hyödyttävät muokattavaa olentoa. Tai ihmistä, joka käyttää muokattua olentoa omiin tarpeisiinsa.
Jylkkäri kysyi kahdelta Suomen johtavalta Crispr-tekniikan asiantuntijalta uuden tekniikan käyttömahdollisuuksista ja sovelluksista. Dosentti Kirmo Wartiovaara on kantasolututkija ja työskentelee Helsingin yliopistossa. Professori Olli Lassila tekee tutkimustaan Turun yliopistossa. Molemmat tutkijat ovat innoissaan Crispr-tekniikan mahdollisuuksista.
”Kaikki, mitä solu tekee, lukee sen DNA:ssa. Jos me osaamme muokata sitä DNA:ta, niin me osaamme kertoa solulle, mitä sen tulee tehdä. Tämä on ymmärretty jo kauan sitten. Ongelmana on ollut se, että DNA:n tarkka muokkaaminen on ollut vaikeaa. Crispr-tekniikka poistaa tämän ongelman”, Wartiovaara kertoo.
Ensimmäiseksi uuden tekniikan sovelluksista tulee mieleen lääketiede. Ihmiskuntaa vuosituhansien ajan vaivanneet perinnölliset sairaudet voidaan saada taltutettua, kun keino viallisen DNA:n korjaamiseen on nyt löytynyt.
”Meillä ihmisillä on paljon perinnöllisiä sairauksia. Jokin geeni saattaa olla vaan rikki, jolloin se tekee vääriä asioita. Suurelle yleisölle tutuin esimerkki on ehkä sirppisoluanemia. Meillä on kaksi kopiota jokaisesta geenistä, toinen isältä ja toinen äidiltä. Sirppisoluanemiassa hemoglobiinigeeni on rikki. Jos ihminen saa viallisen geenin molemmilta vanhemmilta, hänellä ei ole toimivaa hemoglobiinia. Tällöin punasolut, joiden tulisi tuottaa hemoglobiinia, eivät toimi oikein”, Wartiovaara sanoo.
Aiemmin esimerkiksi sirppisoluanemiaa on yritetty korjata geeniterapialla. Tällä tekniikalla on otettu toimiva hemoglobiinigeeni ja istutettu se solun sisään.
”Vanhemmalla tekniikalla solu saa toimivan hemoglobiinigeenin. Parhaassa tapauksessa solu oppii tuottamaan hemoglobiinia oikein, ja potilas paranee. Riskit ovat kuitenkin suuret. Geeni saattaa takertua väärään kohtaan DNA-rihmaa, millä saattaa olla erittäin vakavia seurauksia”, Wartiovaara toteaa.
Crispr/Cas9-tekniikka siirtää geeniterapian aivan uudelle tasolle.
”Hyppäys vanhasta geeniterapiasta tähän uuteen tekniikkaan on samanlainen kuin siirtymä kirjoituskoneelta tietokoneen näppäimistölle. Jos teki virheen kirjoituskoneella, tekstiä ei enää voinut korjata. Kappaleita ei myöskään voinut muokata ja siirrellä. Crispr tekee vertauskuvallisesti sen, mitä tietokoneen tekstinkäsittelyohjelmat ovat tehneet kirjoittamiselle”, Wartiovaara toteaa.
Ihmisen DNA on käytännössä pitkä informaatiolista. Jos solun sisään istutetaan uusi geeni, se saattaa vahingoittaa DNA:n muita osia, jotka toimivat moitteettomasti. Sirppisoluanemian parantamisesta ei juuri ole ihmiselle hyötyä, jos hoito deaktivoi vaikkapa syövältä suojelevan geenin.
Lassila on työryhmineen käyttänyt Crispr-tekniikkaa käänteistä genetiikkaa hyödyntävissä tutkimuksissa. Näissä tutkimuksissa koe-eläimeltä deaktivoidaan ensin yksi geeni. Seuraavaksi tutkijat seuraavat eläimen tilaa. Jos se sairastuu, voidaan päätellä, että deaktivoitu geeni oli tärkeä terveyden kannalta. Lopuksi sama geeni aktivoidaan uudelleen ja seurataan, palaako koe-eläin ennalleen.
Lupaavista tuloksista huolimatta edes Crispr-tekniikka ei ole täydellinen. Joskus geeni kiinnittyy väärään kohtaan DNA-rihmaa, millä voi olla huonoja vaikutuksia.
”Tästä syystä tätä tekniikka ei vielä haluta käyttää ihmiskokeisiin”, Lassila sanoo.
Kuinka Crispr/Cas9 sitten toimii? Käytännön tasolla Crispr-tekniikan tarkkuus saavutetaan hyödyntämällä bakteereilta opittua menetelmää.
”Jotkut propellihatut saivat sitten päähänsä kokeilla, että toimisiko sama menetelmä myös aitotumaisilla soluilla”, Wartiovaara sanoo.
Bakteerisoluilla ei ole tumaa toisin kuin ihmisillä, kilpikonnilla, ruoholla ja muilla aitotumaisista soluista koostuvilla olennoilla. Wartiovaara avaa tekniikan salat kansantajuisessa muodossa.
”RNA pystyy yhtymään DNA:n kanssa. Tarvittava RNA-pätkä on nykyään helppo tehdä. Lähetän sähköpostia osaavalle firmalle, joka tekee mittatilaustyönä tarkoitukseeni sopivan RNA-rihman ja lähettää sen postissa. Toimitus ei vie kuin pari päivää, eikä hintakaan päätä huimaa”, Wartiovaara kertoo.
Kun mittatilaustyönä tehty RNA-ketju kolahtaa postiluukkuun, se istutetaan solun sisään yhdessä Cas9-proteiinin kanssa. Solun sisälle päästyään RNA etsii DNA-kaksoiskierteen kohdasta juuri oikean kohdan aivan kuin vetoketju löytää toisen puoliskonsa. Seuraavaksi Cas9-proteiini kiinnittyy DNA:n ja RNA:n kanssa samaan kohtaan ja tekee siihen halutun muutoksen.
Cas9-proteiineja on useita erilaisia eri tarkoituksia varten. Osa niistä katkaisee geenin, osa puolestaan deaktivoi tai aktivoi kohdegeenin. Tämä antaa tutkijalle mahdollisuuden puuttua kirurgisen tarkasti haluttuun kohtaan DNA-rihmaa.
Vaikka Crispr tarjoaa huimat lääketieteelliset mahdollisuudet, sen käyttö terveydenhoidossa on vielä hyvin varovaista. Ensimmäisiä kokeita suoritetaan Yhdysvalloissa ja Kiinassa.
”Olemme sillä varovaisuuden asteella, että syöpää saa hoitaa
Crispr-tekniikalla, koska siihen saa helpoiten viranomaisten luvat. Syynä tähän on se, että kyseinen tauti aiheuttaa niin paljon epätoivoa. Lisäksi soluja on huomattavasti helpompi tappaa kuin korjata”, Wartiovaara kertoo.
Yhdysvalloissa on ensimmäistä kertaa annettu lupa Crispr/Cas9-tekniikan käyttöön ihmisen hoidossa juuri syöpätapauksessa. Lassila nostaa esiin mielenkiintoisen esimerkin HI-viruksen hoitoon liittyen.
”Mutaatio geenissä CCR5 aiheuttaa sen, että ihminen ei voi saada HIV-tartuntaa. Tämä geeni on suhteellisen yleinen suomalaisten perimässä, mikä osaltaan selittää Suomen maailman mittakaavassa alhaisia HIV-lukemia”, Lassila sanoo.
Käytännössä hoito toimisi siten, että CCR5-mutaatio siirrettäisiin HIV-positiivisen potilaan veren kantasoluihin. DNA-muokatuista soluista syntyvät uudet T-solut eivät voisi saada HIV-tartuntaa ja näin aiheuttaa infektiota.
Lääketieteellisten hoitojen lisäksi tarkkaan geenimuokkaukseen kykenevä teknologia voi mullistaa myös maatalouden.
”Uskon, että ensimmäinen iso muutos tällä tekniikalla koskee ruoantuotantoa. Tällä alueella eettiset ongelmat ovat pienempiä ja toiminta enemmän markkinavetoista. Eli jos keksitään uusi menetelmä, jolla voidaan tuottaa jotain asiaa aiempaa tehokkaammin, se otetaan nopeasti käyttöön”, Wartiovaara toteaa.
Eri ruokakasvien ominaisuuksia hyödyntämällä voitaisiin esimerkiksi kasvattaa hyödyllisten ruokakasvien mahdollista kasvualuetta. Koska toiset kasvit pärjäävät pienemmällä vesimäärällä kuin toiset, tämä vesitehokkuuteen johtava ominaisuus voitaisiin siirtää enemmän vettä kaipaavaan kasviin. Näin myös aiemmin viljelyyn sopimattomilla kuivilla alueilla voitaisiin tuottaa ruokaa tehokkaasti. Käytännössä kyseessä on siis geneettisen tason risteytys, jossa voidaan yhdistää kasveja, jotka eivät luonnossa risteytyisi.
Ruokakasvien geneettisessä muokaamisessa ei sinällään ole mitään uutta. Monia nykyisin yleisessä käytössä olevia ruokakasveja on geneettisesti muokattu ihmiselle suotuisampaan suuntaan. Crispr/Cas9-tekniikan avulla tuo muokkaaminen on kuitenkin huomattavasti helpompaa ja nopeampaa.
Entäpä etiikka? Kun ymmärrys yksittäisistä geeneistä ja niiden vaikutuksista lisääntyy, kykenemme aina vaan yksityiskohtaisempaan geneettiseen muokkaukseen.
Jos Crispr-tekniikka mahdollistaa perinnöllisten tautien hoitamisen ja kasvien geneettisen perimän kehittämisen haluttuun suuntaan, miksei samaa voisi tehdä ihmisenkin kohdalla?
Julkisessa keskustelussa uuden tekniikan käyttöä on myös haluttu rajoittaa. Jotkut pelkäävät, että Crispr-menetelmää käytettäisiin ihmisten perimän muokkaamiseen.
”Tänä päivänä tilanne on se, että ensimmäinen ihmisellä tehtävä koelupa on saatu. Kokeessa muokataan syöpäpotilaiden immuunisoluja laboratoriossa siinä toivossa, että ne osaisivat paremmin hyökätä syöpäsolujen kimppuun. Kokonaisen alkion tai sukusolujen muokkaamista, eli lapsille periytyviä muutoksia, ei missään päin maailmaa saa tehdä. Tutkimusta esimerkiksi ihmisalkioilla saa kuitenkin joissain paikoissa tehdä”, Wartiovaara kertoo.
Päätös tekniikan käytön eettisistä rajoituksista on pääasiassa tutkijayhteisön vastuulla. Lassilan mukaan tiedeyhteisössä vallitsee vahva yksimielisyys siitä, ettei uutta tekniikka käytetä perinnöllisten muutosten tekoon.
”Ihmiselle ei missään nimessä tehdä mitään perinnöllisiä muutoksia. Tätä tekniikkaa käytetään lääketieteessä vain silloin, jos siitä on potilaalle itselleen jotain terveydellistä hyötyä”, Lassila sanoo.
Wartiovaara muistuttaa, että perinnöllisiä sairauksia voidaan hoitaa myös muilla menetelmillä.
”Jos suvussa esiintyy geenivirhe, vanhemmat voivat tehdä koeputkihedelmöityksen ja valita alkioista ne, joissa geenivirhettä ei ole, ja jatkaa raskautta niiden avulla. Näin geenivirheet eivät periydy jälkeläisille.”
Vaarallisia tai viallisia geenejä ei siis välttämättä tarvitse poistaa tai deaktivoida Crispr-tekniikalla. Koska DNA:n kopioituminen ei koskaan ole täydellistä, lääketiede voi hyödyntää yksinkertaisia geenitestejä, joilla vialliset geenit voidaan tunnistaa ennen hedelmöitystä.
Teoriassa mikään ei kuitenkaan estäisi ihmiskuntaa käyttämästä uutta tekniikkaa pysyvien muutosten tekoon. Kun oikeat geenit on löydetty, niitä muokkaamalla voisimme tehdä ihmisistä aiempaa lihaksikkaampia, vaihtaa syntyvien lasten silmien väriä tai saada kynnet kasvamaan hitaammin.
Käytännössä yksittäisten muutosten tekeminen on kuitenkin haastavaa. Esimerkiksi älykkyys on monimutkainen kokonaisuus, joka koostuu useista geeneistä, jotka yhdessä ympäristön ärsykkeiden kanssa muovaavat ihmisen älykkyyden. Kun tieto geeneistä ja niiden yhteisvaikutuksesta karttuu, mahdollisuudet muokkaamiseen kuitenkin kasvavat.
Crispr/Cas9-tekniikka tarjoaa loputtomasti erilaisia sovellusmahdollisuuksia. Vanha geeniterapia oli epätarkkaa ja kömpelöä käyttää. Uusi tekniikka puolestaan on tarkkaa ja tehokasta. Lähivuodet tulevat olemaan geeniterapian suuren läpimurron aikaa.
”Kyse ei enää ole siitä, mitä voidaan tehdä vaan siitä, mitä keksitään tehdä”, Wartiovaara toteaa.
Fakta
- Perinnöllisyystiede eli genetiikka on perinnöllisyyttä tutkiva biologian haara.
- Mutaatiot ovat DNA:n kahdentumisen aikana tapahtuvia virheitä. Iso osa niistä on kantajalleen haitallisia. Osa voi kuitenkin myös olla hyödyllisiä.
- Genomi tarkoittaa olennon koko perimää. Ihmisen genomi koostuu noin 25 000 geenistä.
- DNA eli deoksiribonukleiinihappo sisältää koodin, joka ohjaa proteiinien valmistusta.
- RNA eli ribonukleiinihappo auttaa siirtämään ja tulkitsemaan DNA:n informaatiota.
Lähde: YLE Uutiset/Tiede