Geenikirurgia on harpannut lyhyessä ajassa suuren loikan, kiitos uuden Crispr-Cas9-menetelmän.
— Menetelmä varmasti palkitaan lähiaikoina Nobelilla. Geeninmuokkauksen tekniikka on nyt niin hyvässä kunnossa, että vain mielikuvitus on rajana, mitä sen avulla voi tehdä. On kuin joku olisi juuri keksinyt kirveen ja tuossapa on metsä, tekisikö siitä temppelin vai puuveneen, perinnöllisten sairauksien lääkäri ja tutkija Kirmo Wartiovaara maalailee.
Wartiovaara kollegoineen käytti aiemmin ZFN- ja TALEN-geenikirurgiaa, mutta pari vuotta sitten he vaihtoivat Crispr-Cas9-menetelmään. Eivätkä aio vaihtaa takaisin.
Miksi Crispr-Cas9 on niin ylivertainen?
— Keskeinen ongelma geeninmuokkauksessa on se, miten DNA-rihma saadaan katki juuri oikeasta kohdasta nopeasti, tehokkaasti ja halvalla, Wartiovaara alustaa.
Katkaisulla kyseisen DNA-alueen koodittama geeni saadaan hiljennettyä tai mikä parempaa: mikäli lähistöllä on mallikappale terveestä ja riittävän samanlaisesta DNA:sta, solu korjaa saksitun DNA:n terveen mallin mukaiseksi.
Ennen katkaisua varten piti rakentaa juuri oikean muotoinen ZFN- tai TALEN-proteiini, joka luiskahti DNA:n päälle oikeaan kohtaan. DNA:n emäsrakenne — adeniinin, guaniinin, sytosiinin ja tymiinin vaihtelu — muodostaa eräänlaisen vuoristoradan, ja siihen haettiin täydellistä vastinkappaletta.
— Proteiinin etsiminen oli hidasta. Kolmiulotteiset proteiinit taipuvat ja vääntyvät yllättäviin asentoihin, ja niitä piti kokeilla yrityksen ja erehdyksen kautta.
Bakteerien oppi
Cas9 on alkujaan bakteereiden käyttämä DNA:ta silppuava proteiini, jolla bakteerit taistelevat viruksia vastaan.
Kun bakteerit saavat virusinfektion mutta onnistuvat tuhoamaan viruksen, bakteeri nappaa muistijäljen viruksen perimästä CRISPR-nimiseen alueeseen omassa perimässään. Tästä ”muistilokerosta” se voi muodostaa pienen ohjaus-RNA-molekyylin, joka sisältää peilikuvan — tai DNA-vuoristoradan vastakappaleen — viruksen emäsjärjestyksestä.
Bakteeri liittää ohjaus-RNA:n ja Cas9-silppurin yhteen, ja näin syntyy tuhoase, joka kulkee nimellä Crispr-Cas9. Kun kyseinen virus yrittää uudestaan bakteriin sisään, ohjaus-RNA tarttuu kiinni viruksen DNA:han ja Cas9 leikkaa sen poikki.
Vuonna 2012 Yhdysvaltalainen Jennifer Doudna ja ranskalainen Emmanuelle Charpentier keksivät kaapata bakteereiden ikiaikaisen aseen ihmiskunnan käyttöön. He muokkasivat Cas9-leikkuria niin, että se toimii myös eläin- ja kasvisoluissa. Tähän voi sitten liittää ohjuriksi minkä tahansa RNA-pätkän.
— Ihmisgenomin emäsjärjestys tunnetaan täysin. Sopivan RNA:n saa tilattua netistä parissa päivässä, ja sitten se vain liitetään Cas9-silppuriin. Ei tarvitse suunnitella proteiinia, riittää kun suunnittelee DNA-sekvenssiä vastaavan RNA:n, Wartiovaara sanoo.
Diabetes kuriin
— Sehän on kuin sakset, tehokas ja helppokäyttöinen, tohtorikoulutettava Diego Balboa sanoo.
Biomedicumissa professori Timo Otonkosken laboratoriossa työskentelevä Balboa on rutinoitunut Crispr-Cas9-saksija. Oman tutkimuksensa ohessa hän auttaa muiden ryhmien tutkijoita alkuun tehokkaan silppurin käytössä.
Balboa kehittää geeniterapiaa perinnölliseen diabetekseen, jossa geenimutaatio vaikuttaa haiman tai haimassa insuliinia tuottavien beetasolujen kehitykseen. Tavoitteena on tepsivä hoito: potilaalta otetaan soluja ihosta tai verestä, solut muutetaan koeputkessa monikykyisiksi kantasoluiksi, geenivirhe korjataan kantasoluissa Crispr-Cas9:n avulla, kantasolut erilaistetaan insuliinia tuottaviksi beetasoluiksi, solut siirretään potilaaseen — ja diabetes on poissa.
Nyt Balboa tutkii diabetespotilaiden soluja vain koeputkessa.
— Joistain potilaista tiedämme tarkkaan viallisen geenin. Voimme koeputkessa seurata, mikä haiman erilaistumisessa menee vikaan ja kuinka se johtaa diabetekseen. Testaamme mutaa-
tion korjaamista.
Lääketurvallisuustestaukset kantasoluista tuotettujen haiman beetasolujen siirrosta diabetespotilaiden ihon alle ovat jo käynnissä.
— Kaikki sairaudet, jotka johtuvat jonkin proteiinin tuotannon puutteesta, voidaan periaatteessa parantaa geeniterapialla, Balboa painottaa.
100 000 000 potilasta
Wartiovaara ryhmineen kehittelee Otonkosken laboratoriossa hoitoja perinnöllisten punasolutautien, kuten talassemian ja sirppisoluanemian, parantamiseksi. Yli sata miljoonaa ihmistä sairastaa perinnöllisiä punasolutauteja, joskin Suomessa ne ovat harvinaisia.
Taudit voidaan parantaa siirtämällä luuytimeen terveitä kantasoluja sukulaiselta, mutta kaikille ei löydy luovuttajaa. Tällöin potilas joutuu käymään kuukausittain verensiirrossa. Se rasittaa sydäntä ja munuaisia, ja eliniänodote on vain 40 vuotta. Köyhissä maissa elinikä on huomattavasti lyhyempi.
— Pelkästään Yhdysvalloissa hoitoihin kuluu vuodessa pari miljardia dollaria, joten geenihoitoa kannattaa kehittää myös taloudellisessa mielessä.
Suoraviivaisinta olisi paikantaa punasolutaudin aiheuttava geenivirhe ja korjata geeni. Mahdollinen riski kuitenkin on se, että säätelyssä jokin menee pieleen. Ei ole hyvä, että hemoglobiini on 150 asemesta 250 grammaa litrassa.
Hemoglobiini pääosassa
Wartiovaaran ryhmä lähestyykin asiaa kiertoteitse. Tarkoitus on aktivoida punasolupotilailla sikiön hemoglobiinintuotanto. Sikiöaikana hemoglobiini syntyy eri geenialueelta kuin syntymän jälkeen. Sikiöaikainen mekanismi ei silti katoa täysin: aikuisen ihmisen hemoglobiinista noin prosentti on niin sanottua sikiöhemoglobiinia.
— Kukaan ei ymmärrä, miksi sikiön hemoglobiinin tuotanto lakkaa, kun ihminen syntyy, Wartiovaara toteaa.
Jos keksitään, miten vaihto sikiöhemoglobiinista aikuishemoglobiiniin saadaan estettyä, perinnölliset virheet aikushemoglobiinissa eivät haittaa.
— Joissain suvuissa aikuisilla on geenipoikkeamien vuoksi hemoglobiinistaan noin kolmannes sikiöhemoglobiinia. Heidän genomiaan tutkimalla voimme ymmärtää, mistä tämä johtuu.
Viljellyissä luuytimen kantasoluissa sikiöhemoglobiinin tuotanto saatiin tuplattua. Analyysi on kuitenkin kesken ja tie geeniterapiaksi pitkä. Jotta talassemiapotilaat selviäisivät ilman verensiirtoja, sikiöhemoglobiinin osuuden pitäisi nousta 20–30 prosenttiin.
— Olen suunnitellut, että ennen kuin jään eläkkeelle, voimme Helsingin klinikalla parantaa hemoglobiinisairauksia niin, että otetaan potilaan luuytimestä kantasoluja, muokataan kantasoluja tuottamaan sikiöhemoglobiinia ja palautetaan kantasolut takaisin potilaalle, Wartiovaara sanoo.
— Jos meidän hoito breikkaa, niin hyvä. Jos jonkun toisen, niin olen iloinen siitäkin.
Byrokratia rassaa
Wartiovaara työskentelee puoliksi tutkijana, puoliksi perinnöllisyyslääkärinä HUSissa. Uusien hoitojen kehittäminen ja laboratoriotutkimusten tekeminen on varsin byrokraattista.
— Potilaille annettavien hoitojen kehittelyssä säännöt ovat tulleet tarpeeseen, mutta sääntelyssä on vain menty liian pitkälle.
Kaikenlainen eettinen, moraalinen ja riskien välttämiseen liittyvä juridinen säätely on geenikirurgiassa niin voimakasta, että uuden teknologian lupaus ei helposti käänny lääketieteen arkeen. Maailmalla on tehty 1 800 geeniterapiakoetta, mutta markkinoilla on vain neljä lääkettä, Suomessa vain yksi.
— Jos pitäisi laittaa kymmenen miljoonaa euroa tutkimustyöhön, mutta lupakäytäntöjen vuoksi kuluu 30 vuotta, ennen kuin rahaa voi toivoa takaisin, firmoilta ei heru rahoitusta, Wartiovaara toteaa.
Geeniterapioiden tutkimuksen säätelyssä pitää punnita riskejä ja hyötyjä. Nyt tasapaino ei ole kehuttava.
Aids kaikkosi toviksi
Vuonna 2014 Pennsylvanian yliopiston tutkija Pablo Tebas kollegoineen sai geeniterapian avulla aidsin oireet kokonaan parannettua pieneltä määrältä potilaita.
Prosentilla ihmisistä puuttuu valkosolun pinnalta reseptori, johon hi-virus kiinnittyy. Tutkijat ottivat aids-potilailta veren kantasoluja, poistivat niistä kyseisestä reseptorista vastaavan geenin ja palauttivat kantasolut potilaalle.
Geeniterapoidut kantasolut tuottivat terveitä valkosoluja, jotka levisivät elimistössä ja luonnonvalinnan mekanismein syrjäyttivät infektoituneet valkosolut. Kaksi potilasta saattoi hoidon ansiosta lopettaa kokonaan aids-lääkityksen.
Infektio kuitenkin palasi, koska geeniterapoituja soluja sai turvallisuussäädösten vuoksi antaa potilaille vain pienissä erissä.
— Kun hoitoja kokeillaan ensimmäisiä kertoja, varovaisuus on välttämätöntä. Nyt kun kaikki on mennyt hyvin, annoksia luultavasti vähitellen lisätään, Wartiovaara sanoo.
— Jos sama mutaatio tehtäisiin munasolussa, syntyvä ihminen olisi hiv:lle resistentti. Mutta ituradan geneettinen muuntelu on vielä laitonta, eivätkä tutkijatkaan sitä halua, ennen kuin se osoitetaan turvalliseksi.
Keinohedelmöityskin kauhistutti
Sukusolujen ja alkion koskemattomuus on tällä haavaa jyrkkä eettinen normi: ihmiselle ei saa tehdä geneettisesti periytyviä muutoksia.
Eettisyyden voi toki kyseenalaistaa: haluavatko ihmiset siirtää jälkeläisilleen esimerkiksi X-kromosomin virheestä johtuvan Duchennen lihasdystrofian, joka ajaa hedelmöityksen kolikonheitossa epäonniset pojat hengityskoneeseen parikymppisinä?
— Nykyään riski kierretään usein keinohedelmöityksellä, kun siinä voi valita alkioista jatkoon vain terveet. Useimmat hyväksyvät tällaisen ”rodunjalostuksen”, Wartiovaara rinnastaa.
Balboa on luottavainen: järkevät hoidot lyövät kyllä jatkossa läpi, kunhan tiedeyhteisö osaa perustella asiansa.
— Myös koeputkihedelmöityksessä nähtiin 20–30 vuotta sitten suuria eettisiä ongelmia. Nykyisin kenelläkään ei ole eettisiä ongelmia mennä hedelmällisyysklinikalle, Balboa sanoo.
Kirmo Wartiovaaran ryhmä oli yksi viimevuotisen Helsinki Challenge -tiedekilpailun semifinalisteista. Tiedekisa kuului Helsingin yliopiston 375-vuotisjuhlan tapahtumiin.
Artikkeli on julkaistu Yliopisto-lehden numerossa Y/05/16.
Yliopisto-lehti on kaikille tarkoitettu, monipuolinen tiedelehti Helsingin yliopistosta.
Tilaa Yliopisto-lehti ja rakastu tieteeseen.