Biology

CRISPR - DNA Editing Like a Word Document

#091 · 5 min read

A computer screen displays a document with scrambled text and a DNA double helix graphic, symbolizing CRISPR gene editing technology.

In 2012, two scientists figured out how to turn a bacterial immune system into a pair of programmable scissors for DNA. Eleven years later, the first patient with sickle-cell disease walked out of a clinic cured. In between, a researcher in Shenzhen used the same tool on human embryos.

In 2007, food scientists at a Danish company called Danisco published a paper showing that the bacteria used to ferment yogurt had an immune system. When attacked by a virus, the bacterium kept a snippet of the invader's DNA filed away in its own genome, between short repeated sequences, as a kind of mug shot. Next time the virus showed up, the cell recognised it and sliced it apart. The repeating sequences had a name almost nobody outside microbiology had ever heard: Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. CRISPR.

CRISPR Cas9 National Institutes of Health (NIH) · PDM 1.0

Five years later, in June 2012, Jennifer Doudna in Berkeley and Emmanuelle Charpentier in Umeå published a paper in Science showing that the bacterial defence could be reprogrammed. Supply a short piece of guide RNA that matched any sequence you liked, and the cutting enzyme — Cas9 — would travel to that spot in the genome and snip both strands. The cell's repair machinery would then try to put the break back together, and during the repair you could persuade it to incorporate a new piece. The technique worked in human cells. It cost a few dollars per experiment. A graduate student could do it on a benchtop in an afternoon.

What the scissors actually do

CRISPR does not edit DNA the way a word processor edits text. It breaks it. Both strands of the double helix are cut, cleanly, at the position the guide RNA points to, and the cell's own repair machinery does the rest. The rest is messy. Sometimes the cell stitches the ends back together and loses a few letters in the process — useful if your goal is to disable a gene. Sometimes, if you supply a template, the cell copies from the template and you get a clean edit. Sometimes it edits the wrong place entirely. The base-editing and prime-editing systems developed since 2016 by David Liu's group at the Broad Institute are tidier — they swap individual letters without a full double-strand break — but they are still not Control-F-and-replace. They are guided vandalism with a clean-up crew.

A yogurt fermentation lab reveals the bacterial origin of CRISPR: stainless vessels Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

What this lets you do, even at the current crudeness, is considerable. In late 2023, the UK and US regulators approved Casgevy, a CRISPR therapy that edits a patient's own bone-marrow stem cells to reactivate fetal haemoglobin and reverse sickle-cell disease. The first patient on the trial, Victoria Gray, received her infusion in Nashville in July 2019 and has not had a pain crisis since. A separate trial, run by Editas Medicine, used CRISPR delivered directly into the eye to restore measurable vision in patients with Leber congenital amaurosis, a form of inherited blindness. Researchers in London and Terni have built gene drives that, in caged populations, crash mosquito colonies within ten generations by forcing a fertility-disrupting edit through the gene pool. At eGenesis in Massachusetts, pigs have been edited at more than seventy sites to make their organs suitable for transplant into humans; in January 2022 a man named David Bennett received one of their hearts and lived for two months.

Presenting Pleistocene Park @SynBioBeta 2013, a fun coda of CRISPR codons jurvetson · BY 2.0

The line in Shenzhen

In November 2018, a Chinese biophysicist named He Jiankui announced at a conference in Hong Kong that he had used CRISPR to edit the genomes of human embryos and implanted them. Twin girls, referred to publicly as Lulu and Nana, had been born a few weeks earlier with engineered changes to a gene called CCR5, intended to confer resistance to HIV. A third edited child was born the following year. The work was condemned by almost every geneticist who spoke publicly, including Doudna. He Jiankui was tried in a closed court in Shenzhen, sentenced to three years in prison for practising medicine illegally, and released in 2022. He is, as of this writing, running a new lab.

A 2012 biochemistry lab in Berkeley shows two researchers assembling a reprogrammable cutt Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

The edits the three children carry are in every cell of their bodies, including their germline. If they have children, those children will inherit the changes. It is the first deliberate human modification ever passed from one generation to the next, and we do not fully know what CCR5 does. Carriers of the natural deletion that He Jiankui's tool was crudely trying to mimic show somewhat higher mortality from West Nile virus and, on some readings of the data, from influenza. The off-target effects of the editing itself have never been independently verified, because the underlying sequencing data have never been released.

What we still don't know

We do not know how to edit safely inside the body. The Casgevy procedure works because the edited cells are removed from the patient, checked, and reinfused; in-body editing of organs is much harder to verify. Off-target cuts — edits at sequences that merely resemble the target — happen at rates that depend on the cell type and the guide RNA, and current models cannot reliably predict them.

A close molecular scene shows Cas9 cutting both strands of DNA Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

We do not know what most of the genome does. Roughly 20,000 protein-coding genes have been catalogued, but the regulatory regions that switch them on and off, and the way common variants interact, are largely uncharted. Editing for traits more complex than a single broken gene — height, temperament, cognition — would require knowledge nobody has.

We do not know who gets to decide. The 2018 embryo work was condemned by the field but not prevented by any law that bound He Jiankui in advance. There is no global treaty on germline editing. Each country writes its own rules, or none, and the equipment now costs less than a used car.

A gene-therapy clinic shows a patient's blood stem cells being prepared outside the body: Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

For 3.8 billion years the molecule wrote the organism. A bacterium evolved a way to cut a virus; a graduate student noticed; and now, in a handful of clinics, the organism is writing back.

2012年，两位科学家发现如何将细菌免疫系统转化为一对可编程的DNA剪刀。十一年后，第一位镰状细胞病患者治愈出院。在这期间，深圳的一位研究人员在人类胚胎上使用了同样的工具。

2007年，一家名为丹尼斯克（Danisco）的丹麦食品公司的食品科学家发表了一篇论文，表明用于发酵酸奶的细菌拥有免疫系统。当受到病毒攻击时，细菌会将入侵者DNA的一小段归档在自己的基因组中，夹在简短的重复序列之间，作为一种“面部照片”。下一次该病毒出现时，细胞就会识别并将其切碎。这些重复序列有一个微生物学界之外几乎没人听过的名字：成簇规律间隔短回文重复序列。简称CRISPR。

五年后，即2012年6月，伯克利的Jennifer Doudna和于默奥的Emmanuelle Charpentier在《科学》杂志上发表了一篇论文，表明细菌的这种防御机制是可以被重新编程的。只需提供一条与你想要的任何序列相匹配的短引导RNA，切割酶——Cas9——就会移动到基因组中的那个位置并剪断双链。随后细胞的修复机制会尝试重新连接断裂处，在修复过程中，你可以诱导它整合进一个新的片段。这项技术在人类细胞中取得了成功。每次实验仅需花费几美元。一名研究生在一个下午就能在实验台上完成。

剪刀实际上做了什么

CRISPR编辑DNA的方式并不像字处理器编辑文本那样。它是破坏它。双螺旋的两条链都在引导RNA指向的位置被干净利落地剪断，然后细胞自身的修复机制完成剩下的工作。剩下的工作是一团糟。有时细胞将两端缝合在一起，并在过程中丢失了几个字母——如果你的目标是使某个基因失活，这很有用。有时，如果你提供一个模板，细胞就会复制模板，从而获得干净的编辑。有时它会完全编辑错地方。自2016年以来，由David Liu在Broad Institute的小组开发出的碱基编辑和先导编辑系统要整洁得多——它们在不造成双链断裂的情况下替换单个字母——但它们仍然不是Control-F替换。它们是带有清理队的有引导破坏行为。

What this lets you do, even at the current crudeness, is considerable. 在2023年底，英国和美国的监管机构批准了Casgevy，这是一种CRISPR疗法，通过编辑患者自身的骨髓干细胞来重新激活胎儿血红蛋白，从而逆转镰状细胞病。该临床试验的第一位患者Victoria Gray于2019年7月在纳什维尔接受了注射，此后再也没有发生过疼痛危机。另一项由埃迪塔斯医药公司（Editas Medicine）进行的临床试验中，将CRISPR直接递送入眼内，为患有Leber congenital amaurosis（一种遗传性失明）的患者恢复了可测量的视力。伦敦和特尔尼的研究人员构建了gene drives，在笼养种群中，通过强行在基因库中进行破坏生育能力的编辑，在十代内使蚊子种群崩溃。在马萨诸塞州的eGenesis公司，猪已经在70多个位点进行了编辑，以使它们的器官适合移植到人类身上；2022年1月，一位名叫大卫·贝内特（David Bennett）的男子接受了其中一颗心脏并存活了两个月。

深圳的红线

2018年11月，一位名叫He Jiankui的中国生物物理学家在香港的一次会议上宣布，他已使用CRISPR编辑了人类胚胎的基因组并将其植入。几周前，一对公开称为露露和娜娜的双胞胎女婴出生，她们身上带有对名为CCR5基因的工程化修改，旨在赋予对HIV的抗性。第三个编辑过的孩子在次年出生。这项工作遭到了几乎所有公开表态的遗传学家的谴责，包括杜德纳。贺建奎在深圳一家不公开开庭的法庭受审，因非法行医被判处三年监禁，并于2022年获释。贺建奎在撰写本文时，正在运行一个新的实验室。

这三个孩子携带的编辑存在于他们身体的每一个细胞中，包括他们的生殖细胞系。如果他们发育后代，这些后代将继承这些改变。这是有史以来第一次将人类蓄意修改的基因传给下一代，而我们并不完全了解CCR5的功能。贺建奎的工具粗糙模仿的天然缺失突变携带者，在西尼罗河病毒中表现出略高的死亡率，且根据对数据的一些解读，流感的死亡率也较高。编辑本身的脱靶效应从未得到独立证实，因为底层的测序数据从未被公布过。

我们仍不知道的事

我们不知道如何在体内安全地进行编辑。Casgevy疗法之所以行之有效，是因为编辑后的细胞被从患者体内取出，经过检查后再重新输回；在体内对器官进行编辑要难验证得多。脱靶切割——在仅与靶标相似的序列上进行编辑——的发生率取决于细胞类型和引导RNA，目前的模型无法可靠地预测它们。

我们不知道基因组的大部分功能是什么。大约2万个编码蛋白质的基因已被归档，但控制它们开启和关闭的调控区域以及常见变异体之间的相互作用方式大体上尚未绘制出图谱。要编辑比单个受损基因更复杂的特征——身高、气质、认知——将需要没人拥有的知识。

我们不知道谁来决定。2018年的胚胎研究遭到了该领域的谴责，但贺建奎之前并没有受到任何法律的约束。目前还没有关于生殖细胞系编辑的全球条约。每个国家制定自己的规则，或者根本不制定，而且现在的设备成本比一辆二手车还低。

在38亿年的时间里，分子书写了生物体。一种细菌演化出了切割病毒的方法；一名研究生注意到了这一点；而现在，在少数几家诊所里，生物体正在书写分子。

En 2012, dos científicos descubrieron cómo convertir el sistema inmunitario bacteriano en unas tijeras programables para el ADN. Once años después, el primer paciente con anemia falciforme salió curado de una clínica. En el intervalo, un investigador en Shenzhen utilizó la misma herramienta en embriones humanos.

En 2007, científicos de la alimentación de una empresa danesa llamada Danisco publicaron un artículo que demostraba que las bacterias utilizadas para fermentar el yogur tenían un sistema inmunitario. Cuando era atacada por un virus, la bacteria guardaba un fragmento del ADN del invasor archivado en su propio genoma, entre secuencias cortas repetidas, como una especie de ficha policial. La siguiente vez que aparecía el virus, la célula lo reconocía y lo cortaba en pedazos. Las secuencias repetidas tenían un nombre del que casi nadie fuera de la microbiología había oído hablar: Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas y Regularmente Interespaciadas. CRISPR.

Cinco años más tarde, en junio de 2012, Jennifer Doudna en Berkeley y Emmanuelle Charpentier en Umeå publicaron un artículo en Science que demostraba que la defensa bacteriana podía reprogramarse. Si se suministraba un fragmento corto de ARN guía que coincidiera con cualquier secuencia deseada, la enzima de corte — Cas9 — se desplazaría hasta ese punto del genoma y cortaría ambas cadenas. La maquinaria de reparación de la célula intentaría entonces volver a unir la rotura y, durante la reparación, se le podría persuadir para que incorporara un fragmento nuevo. La técnica funcionó en células humanas. Costaba unos pocos dólares por experimento. Un estudiante de posgrado podía hacerlo en una mesa de laboratorio en una tarde.

Lo que realmente hacen las tijeras

CRISPR no edita el ADN de la manera en que un procesador de textos edita el texto. Lo rompe. Ambas cadenas de la doble hélice se cortan, limpiamente, en la posición que indica el ARN guía, y la propia maquinaria de reparación de la célula hace el resto. El resto es caótico. A veces, la célula vuelve a coser los extremos y pierde algunas letras en el proceso, lo cual es útil si el objetivo es inactivar un gen. A veces, si se proporciona una plantilla, la célula copia de la plantilla y se obtiene una edición limpia. A veces edita un lugar completamente equivocado. Los sistemas de edición de bases y edición de calidad desarrollados desde 2016 por el grupo de David Liu en el Broad Institute son más ordenados: intercambian letras individuales sin una rotura completa de la doble cadena, pero todavía no son un Buscar y reemplazar. Son un vandalismo guiado con un equipo de limpieza.

Lo que esto permite hacer, incluso con la tosquedad actual, es considerable. A finales de 2023, los reguladores del Reino Unido y EE. UU. aprobaron Casgevy, una terapia CRISPR que edita las propias células madre de la médula ósea de un paciente para reactivar la hemoglobina fetal y revertir la anemia falciforme. La primera paciente del ensayo, Victoria Gray, recibió su infusión en Nashville en julio de 2019 y no ha vuelto a tener una crisis de dolor desde entonces. Un ensayo independiente, dirigido por Editas Medicine, utilizó CRISPR administrado directamente en el ojo para restaurar una visión medible en pacientes con Leber congenital amaurosis, una forma de ceguera hereditaria. Investigadores en Londres y Terni han construido gene drives que, en poblaciones enjauladas, colapsan las colonias de mosquitos en diez generaciones al forzar una edición que altera la fertilidad en el acervo génico. En eGenesis, en Massachusetts, se han editado cerdos en más de setenta sitios para que sus órganos sean aptos para el trasplante a humanos; en enero de 2022, un hombre llamado David Bennett recibió uno de sus corazones y vivió durante dos meses.

La línea en Shenzhen

En noviembre de 2018, un biofísico chino llamado He Jiankui anunció en una conferencia en Hong Kong que había utilizado CRISPR para editar los genomas de embriones humanos y los había implantado. Unas semanas antes habían nacido dos gemelas, a las que se hace referencia públicamente como Lulu y Nana, con cambios de ingeniería en un gen llamado CCR5, destinados a conferir resistencia al VIH. Un tercer niño editado nació al año siguiente. El trabajo fue condenado por casi todos los genetistas que hablaron públicamente, incluida Doudna. He Jiankui fue juzgado en un tribunal a puerta cerrada en Shenzhen, condenado a tres años de prisión por ejercer la medicina ilegalmente y puesto en libertad en 2022. En el momento de escribir este artículo, dirige un nuevo laboratorio.

Las ediciones que portan los tres niños están en cada célula de sus cuerpos, incluida su línea germinal. Si tienen hijos, esos hijos heredarán los cambios. Es la primera modificación humana deliberada transmitida de una generación a la siguiente, y no sabemos del todo qué hace el gen CCR5. Los portadores de la deleción natural que la herramienta de He Jiankui intentaba imitar toscamente muestran una mortalidad algo mayor por el virus del Nilo Occidental y, según algunas lecturas de los datos, por la influenza. Los efectos fuera del objetivo de la propia edición nunca se han verificado de forma independiente, porque los datos de secuenciación subyacentes nunca se han hecho públicos.

Lo que aún no sabemos

No sabemos cómo editar de forma segura dentro del cuerpo. El procedimiento de Casgevy funciona porque las células editadas se extraen del paciente, se comprueban y se vuelven a infundir; la edición de órganos dentro del cuerpo es mucho más difícil de verificar. Los cortes fuera del objetivo —ediciones en secuencias que simplemente se parecen al objetivo— ocurren a tasas que dependen del tipo de célula y del ARN guía, y los modelos actuales no pueden predecirlos de manera confiable.

No sabemos qué hace la mayor parte del genoma. Se han catalogado unos 20.000 genes codificantes de proteínas, pero las regiones reguladoras que los activan y desactivan, y la forma en que interactúan las variantes comunes, están en gran parte inexploradas. Editar para rasgos más complejos que un solo gen dañado —altura, temperamento, cognición— requeriría un conocimiento que nadie posee.

No sabemos quién decide. El trabajo con embriones de 2018 fue condenado por el campo pero no evitado por ninguna ley que obligara a He Jiankui de antemano. No existe un tratado global sobre la edición de la línea germinal. Cada país escribe sus propias normas, o ninguna, y el equipo cuesta ahora menos que un coche usado.

Durante 3.800 millones de años, la molécula escribió al organismo. Una bacteria desarrolló una forma de cortar un virus; un estudiante de posgrado se dio cuenta; y ahora, en un puñado de clínicas, el organismo está escribiendo de vuelta.

في عام 2012، اكتشف عالمان كيفية تحويل نظام المناعة البكتيري إلى مقص قابل للبرمجة للحمض النووي (DNA). وبعد أحد عشر عاماً، خرج أول مريض بالأنيميا المنجلية من العيادة معافىً. وفي الفترة ما بينهما، استخدم باحث في شنزن الأداة نفسها على أجنة بشرية.

في عام 2007، نشر علماء أغذية في شركة دنماركية تدعى دانيسكو (Danisco) ورقة بحثية توضح أن البكتيريا المستخدمة لتخمير الزبادي تمتلك جهاز مناعة. فعندما يهاجمها فيروس، تحتفظ البكتيريا بقطعة صغيرة من الحمض النووي للمهاجم محفوظة في جينومها الخاص، بين تسلسلات قصيرة متكررة، كنوع من صور المشتبه بهم. وفي المرة التالية التي يظهر فيها الفيروس، تتعرف الخلية عليه وتقطعه إرباً. وكان للتسلسلات المتكررة اسم لم يسمع به أحد تقريباً خارج علم الأحياء الدقيقة: التكرارات العنقودية المتناظرة القصيرة منتظمة التباعد. وتعرف اختصاراً باسم CRISPR.

وبعد خمس سنوات، في يونيو 2012، نشرت Jennifer Doudna في بيركلي و Emmanuelle Charpentier في أوميو ورقة بحثية في مجلة Science تظهر أنه يمكن إعادة برمجة الدفاع البكتيري. فما عليك سوى توفير قطعة قصيرة من الحمض النووي الريبي الموجه (guide RNA) تتطابق مع أي تسلسل تريده، وسينتقل إنزيم القطع — Cas9 — إلى ذلك الموقع في الجينوم ويقص كلا الشريطين. ثم تحاول آلية الإصلاح في الخلية إعادة دمج هذا الكسر معاً، وأثناء الإصلاح يمكنك إقناعها بدمج قطعة جديدة. ولقد نجحت هذه التقنية في الخلايا البشرية، وكانت تكلف بضعة دولارات لكل تجربة، وكان بإمكان طالب دراسات عليا القيام بها على طاولة المختبر في غضون فترة بعد الظهر.

ما يفعله المقص فعلياً

لا يقوم كريسبر بتعديل الحمض النووي بالطريقة التي يعدل بها معالج الكلمات النصوص. إنه يكسره. حيث يتم قطع كلا شريطي اللولب المزدوج، بنظافة، عند الموقع الذي يشير إليه الحمض النووي الريبي الموجه، وتقوم آلية الإصلاح الخاصة بالخلية بالباقي. والباقي فوضوي. في بعض الأحيان تقوم الخلية بخياطة الأطراف معاً وتفقد بضعة أحرف في هذه العملية — وهو أمر مفيد إذا كان هدفك هو تعطيل جين ما. وفي بعض الأحيان، إذا قدمت قالباً، تنسخ الخلية من القالب وتحصل على تعديل نظيف. وفي أحيان أخرى تقوم بالتعديل في مكان خاطئ تماماً. وتعد أنظمة تعديل القواعد وتعديل الطليعة التي طورت منذ عام 2016 بواسطة مجموعة David Liu في Broad Institute الأكثر ترتيباً — حيث تستبدل أحرفاً فردية دون كسر كامل للشريط المزدوج — ولكنها لا تزال غير شبيهة بأوامر البحث والاستبدال. إنها تخريب موجه مع طاقم تنظيف.

وما يتيح لك هذا القيام به، حتى في ظل الفجاجة الحالية، أمر كبير. ففي أواخر عام 2023، وافقت الجهات التنظيمية في المملكة المتحدة والولايات المتحدة على علاج Casgevy، وهو علاج بتقنية كريسبر يقوم بتعديل الخلايا الجذعية لنخاع العظم الخاصة بالمريض لإعادة تنشيط الهيموجلوبين الجنيني وعلاج الأنيميا المنجلية. وتلقت المريضة الأولى في التجربة، Victoria Gray، حقنتها في ناشفيل في يوليو 2019 ولم تصب بأي نوبة ألم منذ ذلك الحين. واستخدمت تجربة منفصلة، أدارتها شركة إيديتاس ميديسين (Editas Medicine)، تقنية كريسبر التي تم إيصالها مباشرة إلى العين لاستعادة بصر قابل للقياس لدى مرضى يعانون من Leber congenital amaurosis، وهو شكل من أشكال العمى الوراثي. وقام باحثون في لندن وتيرني ببناء محركات الجينات gene drives التي تؤدي، في المجموعات المحصورة، إلى انهيار مستعمرات البعوض في غضون عشرة أجيال عن طريق فرض تعديل يعطل الخصوبة عبر المجمع الجيني. وفي شركة إي جينيسيس (eGenesis) في ماساتشوستس، تم تعديل الخنازير في أكثر من سبعين موقعاً لجعل أعضائها صالحة للزرع في البشر؛ وفي يناير 2022 تلقى رجل يدعى ديفيد بينيت أحد قلوبها وعاش لمدة شهرين.

الخط الأحمر في شنزن

في نوفمبر 2018، أعلن عالم فيزياء حيوية صيني يدعى He Jiankui في مؤتمر عقد في هونغ كونغ أنه استخدم تقنية كريسبر لتعديل جينومات أجنة بشرية وزرعها. ولقد ولدت طفلتان توأمان، يشار إليهما علناً باسم لولو ونانا، قبل بضعة أسابيع مع تغييرات هندسية في جين يسمى CCR5، تهدف إلى إكساب مقاومة لفيروس نقص المناعة البشرية (HIV). وولد طفل معدل ثالث في العام التالي. ولقد حظي هذا العمل بإدانة شبه جماعية من قبل علماء الوراثة الذين تحدثوا علناً، بمن فيهم دودنا. وحوكم贺建奎 في محكمة مغلقة في شنزن، وحكم عليه بالسجن ثلاث سنوات لممارسته الطب بشكل غير قانوني، وأطلق سراحه في عام 2022. وهو يدير، حتى وقت كتابة هذا التقرير، مختبراً جديداً.

والتعديلات التي يحملها الأطفال الثلاثة توجد في كل خلية من خلايا أجسادهم، بما في ذلك خلاياهم الجنسية. وإذا أنجبوا أطفالاً، فسيرث هؤلاء الأطفال هذه التغييرات. وهو أول تعديل بشري متعمد يتم نقله من جيل إلى الجيل الذي يليه، ونحن لا نعرف تماماً ما يفعله الجين CCR5. ويظهر حاملو الحذف الطبيعي الذي كانت أداة贺建奎 تحاول محاكاته بفجاجة معدل وفيات أعلى نوعاً ما من فيروس غرب النيل، ومن الإنفلونزا وفقاً لبعض قراءات البيانات. ولم يتم التحقق بشكل مستقل من الآثار الجانبية للتعديل نفسه خارج الهدف، لأن بيانات التسلسل الأساسية لم يتم نشرها أبداً.

ما لا نعرفه حتى الآن

نحن لا نعرف كيفية التعديل بأمان داخل الجسم. فإجراء Casgevy ينجح لأن الخلايا المعدلة يتم إزالتها من المريض، وفحصها، ثم إعادة حقنها؛ والتعديل الجسدي للأعضاء داخل الجسم أصعب بكثير في التحقق منه. والقص خارج الهدف — التعديلات عند تسلسلات تشبه الهدف فحسب — تحدث بمعدلاف تعتمد على نوع الخلية والحمض النووي الريبي الموجه، ولا يمكن للنماذج الحالية التنبؤ بها بشكل موثوق.

ونحن لا نعرف ماذا يفعل معظم الجينوم. فلقد تم تصنيف حوالي 20,000 جين مشفر للبروتين، لكن المناطق التنظيمية التي تقوم بتشغيلها وإيقافها، والطريقة التي تتفاعل بها المتغيرات الشائعة، لا تزال غير مستكشفة إلى حد كبير. والتعديل لصفات أكثر تعقيداً من جين واحد معطل — مثل الطول، والمزاج، والإدراك — يتطلب معرفة لا يملكها أحد.

ونحن لا نعرف من له حق القرار. فلقد حظي عمل الأجنة لعام 2018 بإدانة من قبل المتخصصين في هذا المجال ولكن لم يمنعه أي قانون كان يلزم贺建奎 مسبقاً. ولا توجد معاهدة عالمية بشأن تعديل الخلايا الجنسية. وتضع كل دولة قواعدها الخاصة، أو لا تضع شيئاً، وتكلف المعدات الآن أقل من تكلفة سيارة مستعملة.

على مدى 3.8 مليار سنة، كان الجزيء يكتب الكائن الحي. ثم طورت البكتيريا طريقة لقطع الفيروس؛ ولاحظ ذلك طالب دراسات عليا؛ والآن، في حفنة من العيادات، يقوم الكائن الحي بالكتابة الراجعة.

Em 2012, dois cientistas descobriram como transformar um sistema imunológico bacteriano em uma tesoura programável para DNA. Onze anos depois, o primeiro paciente com anemia falciforme saiu de uma clínica curado. No meio tempo, um pesquisador em Shenzhen usou a mesma ferramenta em embriões humanos.

Em 2007, cientistas de alimentos de uma empresa dinamarquesa chamada Danisco publicaram um artigo mostrando que as bactérias usadas para fermentar o iogurte tinham um sistema imunológico. Quando atacada por um vírus, a bactéria mantinha um fragmento do DNA do invasor arquivado em seu próprio genoma, entre sequências cortas repetidas, como uma espécie de foto policial. Na próxima vez que o vírus aparecesse, a célula o reconhecia e o cortava em pedaços. As sequências repetidas tinham um nome que quase ninguém fora da microbiologia tinha ouvido falar: Repetições Palindrômicas Curtas Agrupadas e Regulmente Interespaçadas. CRISPR.

Cinco anos depois, em junho de 2012, Jennifer Doudna em Berkeley e Emmanuelle Charpentier em Umeå publicaram um artigo na Science mostrando que a defesa bacteriana poderia ser reprogramada. Bastava fornecer um pequeno pedaço de RNA guia que correspondesse a qualquer sequência desejada, e a enzima de corte — Cas9 — viajaria até aquele ponto no genoma e cortaria ambas as fitas. A maquinaria de reparo da célula tentaria então juntar a quebra e, durante o reparo, você poderia convencê-la a incorporar um novo pedaço. A técnica funcionou em células humanas. Custava alguns dólares por experimento. Um estudante de pós-graduação podia fazê-lo em uma mesa de laboratório em uma tarde.

O que a tesoura realmente faz

O CRISPR não edita o DNA da mesma forma que um processador de texto edita o texto. Ele o quebra. Ambas as fitas da dupla hélice são cortadas, de forma limpa, na posição indicada pelo RNA guia, e a própria maquinaria de reparo da célula faz o resto. O resto é caótico. Às vezes a célula costura as pontas de volta e perde algumas letras no processo — útil se o seu objetivo for desativar um gene. Às vezes, se você fornecer um modelo, a célula copia dele e você obtém uma edição limpa. Às vezes ela edita o lugar completamente errado. Os sistemas de edição de base e de edição primária desenvolvidos desde 2016 pelo grupo de David Liu no Broad Institute são mais organizados — eles trocam letras individuais sem uma quebra completa da fita dupla —, mas ainda não são um Control-F-e-substituir. São um vandalismo guiado com uma equipe de limpeza.

O que isso permite fazer, mesmo na crueza atual, é considerável. No final de 2023, os reguladores do Reino Unido e dos EUA aprovaram o Casgevy, uma terapia CRISPR que edita as próprias células-tronco da medula óssea do paciente para reativar a hemoglobina fetal e reverter a anemia falciforme. A primeira paciente no ensaio, Victoria Gray, recebeu sua infusão em Nashville em julho de 2019 e não teve uma crise de dor desde então. Um ensaio separado, executado pela Editas Medicine, usou o CRISPR entregue diretamente no olho para restaurar a visão mensurável em pacientes com Leber congenital amaurosis, uma forma de cegueira hereditária. Pesquisadores em Londres e Terni construíram impulsos genéticos gene drives que, em populações confinadas, colapsam colônias de mosquitos em dez gerações ao forçar uma edição que prejudica a fertilidade no pool genético. Na eGenesis, em Massachusetts, porcos foram editados em mais de setenta locais para tornar seus órgãos adequados para transplante em humanos; em janeiro de 2022, um homem chamado David Bennett recebeu um de seus corações e viveu por dois meses.

A linha em Shenzhen

Em novembro de 2018, um biofísico chinês chamado He Jiankui anunciou em uma palestra em Hong Kong que havia usado o CRISPR para editar genomas de embriões humanos e os implantado. Duas meninas gêmeas, referidas publicamente como Lulu e Nana, haviam nascido algumas semanas antes com alterações projetadas em um gene chamado CCR5, destinadas a conferir resistência ao HIV. Uma terceira criança editada nasceu no ano seguinte. O trabalho foi condenado por quase todos os geneticistas que falaram publicamente, incluindo Doudna. He Jiankui foi julgado em um tribunal fechado em Shenzhen, condenado a três anos de prisão por praticar medicina ilegalmente e libertado em 2022. Ele está, no momento em que este texto é escrito, dirigindo um novo laboratório.

As edições que as três crianças carregam estão em todas as células de seus corpos, incluindo sua linhagem germinativa. Se elas tiverem filhos, esses filhos herdarão as alterações. É a primeira modificação humana deliberada transmitida de uma geração para a seguinte, e não sabemos totalmente o que o CCR5 faz. Portadores da deleção natural que a ferramenta de He Jiankui tentava imitar grosseiramente mostram mortalidade um pouco maior por vírus do Nilo Ocidental e, em algumas leituras dos dados, por influenza. Os efeitos fora do alvo da própria edição nunca foram verificados de forma independente, porque os dados de sequenciamento subjacentes nunca foram divulgados.

O que ainda não sabemos

Não sabemos como editar com segurança dentro do corpo. O procedimento do Casgevy funciona porque as células editadas são removidas do paciente, verificadas e reinfundidas; a edição de órgãos dentro do corpo é muito mais difícil de verificar. Os cortes fora do alvo — edições em sequências que meramente se assemelham ao alvo — ocorrem a taxas que dependem do tipo celular e do RNA guia, e os modelos atuais não conseguem prevê-los de forma confiável.

Não sabemos o que a maior parte do genoma faz. Cerca de 20.000 genes codificadores de proteínas foram catalogados, mas as regiões reguladoras que os ligam e desligam, e a maneira como variantes comuns interagem, são em grande parte desconhecidas. Editar para características mais complexas do que um único gene quebrado — altura, temperamento, cognição — exigiria um conhecimento que ninguém tem.

Não sabemos quem decide. O trabalho com embriões de 2018 foi condenado pelo campo, mas não evitado por nenhuma lei que vinculasse He Jiankui antecipadamente. Não existe um tratado global sobre edição de linhagem germinativa. Cada país escreve suas próprias regras, ou nenhuma, e o equipamento agora custa menos do que um carro usado.

Por 3,8 bilhões de anos, a molécula escreveu o organismo. Uma bactéria evoluiu uma maneira de cortar um vírus; uma estudante de pós-graduação percebeu; e agora, em um punhado de clínicas, o organismo está escrevendo de volta.

Pada tahun 2012, dua ilmuwan menemukan cara untuk mengubah sistem kekebalan bakteri menjadi sepasang gunting terprogram untuk DNA. Sebelas tahun kemudian, pasien pertama dengan penyakit sel sabit keluar dari klinik dalam keadaan sembuh. Di antara waktu tersebut, seorang peneliti di Shenzhen menggunakan alat yang sama pada embrio manusia.

Pada tahun 2007, ilmuwan pangan di sebuah perusahaan Denmark bernama Danisco menerbitkan sebuah makalah yang menunjukkan bahwa bakteri yang digunakan untuk memfermentasi yogurt memiliki sistem kekebalan tubuh. Ketika diserang oleh virus, bakteri tersebut menyimpan potongan DNA penyerang di dalam genomnya sendiri, di antara urutan berulang yang pendek, sebagai semacam pas foto pelaku kejahatan. Kali berikutnya virus tersebut muncul, sel bakteri akan mengenali dan memotong-motongnya. Urutan berulang tersebut memiliki nama yang hampir tidak pernah didengar oleh siapa pun di luar mikrobiologi: Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. CRISPR.

Lima tahun kemudian, pada bulan Juni 2012, Jennifer Doudna di Berkeley dan Emmanuelle Charpentier di Umeå menerbitkan sebuah makalah di Science yang menunjukkan bahwa pertahanan bakteri tersebut dapat diprogram ulang. Cukup berikan sepotong kecil RNA pemandu yang cocok dengan urutan apa pun yang Anda suka, dan enzim pemotong — Cas9 — akan pergi ke tempat tersebut di dalam genom dan memotong kedua untai DNA. Mesin perbaikan sel kemudian akan mencoba menyatukan kembali patahan tersebut, dan selama perbaikan, Anda dapat membujuk sel untuk memasukkan potongan baru. Teknik ini berhasil pada sel manusia. Biayanya hanya beberapa dolar per eksperimen. Seorang mahasiswa pascasarjana dapat melakukannya di atas meja laboratorium dalam satu sore.

Apa yang sebenarnya dilakukan oleh gunting tersebut

CRISPR tidak mengedit DNA seperti cara pengolah kata mengedit teks. Alat ini merusaknya. Kedua untai heliks ganda dipotong secara bersih pada posisi yang ditunjukkan oleh RNA pemandu, dan mesin perbaikan sel itu sendiri yang melakukan sisanya. Sisanya sangat kacau. Terkadang sel menjahit kembali ujung-ujung yang terputus dan kehilangan beberapa huruf dalam prosesnya — berguna jika tujuan Anda adalah menonaktifkan suatu gen. Terkadang, jika Anda menyediakan templat, sel menyalin dari templat tersebut dan Anda mendapatkan hasil edit yang bersih. Terkadang alat ini mengedit tempat yang sama sekali salah. Sistem penyuntingan basa dan penyuntingan prima yang dikembangkan sejak 2016 oleh kelompok David Liu di Broad Institute lebih rapi — sistem ini menukar huruf individu tanpa pemutusan untai ganda secara penuh — tetapi sistem tersebut tetap bukan Control-F-dan-ganti. Itu adalah vandalisme terarah dengan kru pembersih.

Apa yang dapat Anda lakukan dengan teknologi ini, bahkan pada tingkat kekasaran saat ini, sangatlah besar. Pada akhir tahun 2023, regulator Inggris dan AS menyetujui Casgevy, terapi CRISPR yang mengedit sel induk sumsum tulang pasien sendiri untuk mengaktifkan kembali hemoglobin janin dan memulihkan penyakit sel sabit. Pasien pertama dalam uji coba tersebut, Victoria Gray, menerima infusnya di Nashville pada bulan Juli 2019 dan tidak pernah mengalami krisis rasa sakit lagi sejak saat itu. Uji coba terpisah yang dijalankan oleh Editas Medicine, menggunakan CRISPR yang dikirimkan langsung ke mata untuk memulihkan penglihatan yang terukur pada pasien dengan Leber congenital amaurosis, suatu bentuk kebutaan bawaan. Peneliti di London dan Terni telah membangun gene drives yang, dalam populasi yang dikurung, dapat menghancurkan koloni nyamuk dalam sepuluh generasi dengan memaksa pengeditan yang mengganggu kesuburan melalui kumpulan gen. Di eGenesis di Massachusetts, babi telah diedit di lebih dari tujuh puluh situs untuk membuat organ mereka cocok untuk ditransplantasikan ke manusia; pada Januari 2022 seorang pria bernama David Bennett menerima salah satu jantung babi tersebut dan hidup selama dua bulan.

Garis batas di Shenzhen

Pada bulan November 2018, seorang biofisikawan Tiongkok bernama He Jiankui mengumumkan pada sebuah konferensi di Hong Kong bahwa ia telah menggunakan CRISPR untuk mengedit genom embrio manusia dan menanamkannya. Bayi perempuan kembar, yang disebut secara publik sebagai Lulu dan Nana, telah lahir beberapa minggu sebelumnya dengan perubahan rekayasa pada gen yang disebut CCR5, yang dimaksudkan untuk memberikan kekebalan terhadap HIV. Anak ketiga yang diedit lahir pada tahun berikutnya. Pekerjaan tersebut dikutuk oleh hampir setiap ahli genetika yang berbicara secara publik, termasuk Doudna. He Jiankui diadili di pengadilan tertutup di Shenzhen, dijatuhi hukuman tiga tahun penjara karena mempraktikkan kedokteran secara ilegal, dan dibebaskan pada tahun 2022. Ia, pada saat tulisan ini dibuat, sedang menjalankan laboratorium baru.

Hasil edit yang dibawa oleh ketiga anak tersebut ada di setiap sel tubuh mereka, termasuk garis keturunan sel germinal mereka. Jika mereka memiliki anak, anak-anak tersebut akan mewarisi perubahan tersebut. Ini adalah modifikasi manusia pertama yang disengaja yang diturunkan dari satu generasi ke generasi berikutnya, dan kita tidak sepenuhnya tahu apa yang dilakukan oleh CCR5. Pembawa penghapusan alami yang coba ditiru secara kasar oleh alat He Jiankui menunjukkan angka kematian yang agak lebih tinggi dari virus West Nile dan, pada beberapa pembacaan data, dari influenza. Efek di luar target dari penyuntingan itu sendiri belum pernah diverifikasi secara independen, karena data pengurutan yang mendasarinya tidak pernah dipublikasikan.

Yang masih belum kita ketahui

Kita tidak tahu cara mengedit secara aman di dalam tubuh. Prosedur Casgevy berhasil karena sel-sel yang diedit dikeluarkan dari pasien, diperiksa, dan dimasukkan kembali; penyuntingan organ di dalam tubuh jauh lebih sulit untuk diverifikasi. Pemotongan di luar target — pengeditan pada urutan yang hanya menyerupai target — terjadi pada tingkat yang bergantung pada jenis sel dan RNA pemandu, dan model saat ini tidak dapat memprediksinya secara andal.

Kita tidak tahu apa fungsi sebagian besar genom. Sekitar 20.000 gen pengode protein telah dikatalogkan, tetapi wilayah pengatur yang menghidupkan dan mematikannya, serta cara varian umum berinteraksi, sebagian besar belum dipetakan. Penyuntingan untuk sifat-sifat yang lebih kompleks daripada gen tunggal yang rusak — tinggi badan, temperamen, kognisi — akan membutuhkan pengetahuan yang tidak dimiliki oleh siapa pun.

Kita tidak tahu siapa yang berhak memutuskan. Pekerjaan embrio tahun 2018 dikutuk oleh bidang tersebut tetapi tidak dicegah oleh hukum apa pun yang mengikat He Jiankui sebelumnya. Tidak ada perjanjian global tentang pengeditan garis keturunan sel germinal. Masing-masing negara menulis aturannya sendiri, atau tidak sama sekali, dan peralatan tersebut sekarang berharga lebih murah daripada mobil bekas.

Selama 3,8 miliar tahun, molekul tersebut menulis tentang organisme. Bakteri mengembangkan cara untuk memotong virus; seorang mahasiswa pascasarjana menyadarinya; dan sekarang, di beberapa klinik, organisme tersebut menulis kembali.

2012年、2人の科学者が細菌の免疫システムをDNA用のプログラミング可能なハサミに変える方法を解明しました。それから11年後、鎌状赤血球症の最初の患者が完治して退院しました。その間に、深センの研究者が人間の胚に同じツールを使用しました。

2007年、ダニスコ（Danisco）というデンマークの会社の食品科学者たちが、ヨーグルトの発酵に使用される細菌が免疫システムを持っていることを示す論文を発表しました。ウイルスに攻撃されると、細菌は侵入者のDNAの断片を、一種の容疑者写真のように、短い反復配列の間に自分のゲノムにファイリングして保管していました。次にウイルスが現れたとき、細胞はそれを認識して切断しました。この反復配列には、微生物学の外ではほとんど誰も聞いたことのない名前がついていました。それは、Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats。CRISPRです。

5年後の2012年6月、バークレーのJennifer DoudnaとウメオのEmmanuelle CharpentierはScience誌に論文を発表し、細菌の防御機能が再プログラミング可能であることを示しました。目的の配列に一致するガイドRNAの短い断片を提供すれば、切断酵素である——Cas9——がゲノムのその場所に移動して両方の鎖を切断します。その後、細胞の修復機能が切断箇所を元に戻そうとしますが、その修復中に新しい断片を取り込むよう細胞を誘導することができます。この技術は人間の細胞でも機能しました。実験にかかる費用は数ドルでした。大学院生が午後、実験台の上で簡単に行うことができました。

ハサミが実際にしていること

CRISPRは、ワープロがテキストを編集するようにはDNAを編集しません。破壊するのです。二重らせんの両方の鎖は、ガイドRNAが指し示す位置で綺麗に切断され、あとは細胞自身の修復機能が残りの作業を行います。残りの作業は雑然としています。時として細胞は末端同士を繋ぎ合わせますが、その過程でいくつかの文字を失います。これは遺伝子を無効化することが目的である場合に有用です。また、テンプレートを提供すれば、細胞がテンプレートからコピーし、綺麗な編集結果が得られることもあります。時には、全く間違った場所を編集してしまうこともあります。2016年以降にBroad InstituteのDavid Liuのグループによって開発された塩基編集およびプライム編集システムは、より整理されています。これらは二重鎖の完全な切断を伴わずに個々の文字を置き換えますが、それでもまだ「検索して置換」ではありません。これらは、後片付け隊を伴った、誘導された破壊行為です。

現在の粗さにおいてさえ、これによって実行できることは相当なものです。2023年後半、英国と米国の規制当局は、患者自身の骨髄幹細胞を編集して胎児ヘモグロビンを再活性化し、鎌状赤血球症を治療するCRISPR療法であるCasgevyを承認しました。この治験の最初の患者であるVictoria Grayは、2019年7月にナッシュビルで輸注を受け、それ以来痛みの発作は起きていません。Editas Medicineが実施した別の治験では、Leber congenital amaurosis（遺伝性盲目の一種）の患者にCRISPRを直接眼内に届けることで、測定可能な視力を回復させました。ロンドンとテルニの研究者たちは、飼育された個体群において、遺伝子プールを通じて生殖能力を阻害する編集を強制的に浸透させることにより、10世代以内に蚊のコロニーを崩壊させるgene drivesを構築しました。マサチューセッツ州のeGenesisでは、豚の臓器を人間に移植できるようにするために、70箇所以上の部位で遺伝子編集が行われました。2022年1月、デビッド・ベネット（David Bennett）という男性がその心臓の1つを移植され、2ヶ月間生存しました。

深センの境界線

2018年11月、中国の生物物理学者であるHe Jiankuiは香港のカンファレンスで、CRISPRを使用して人間の胚のゲノムを編集し、それらを移植したと発表しました。HIVへの耐性を付与することを目的として、CCR5と呼ばれる遺伝子に工学的な変更を加えた双子の女児（公にはルルとナナと呼ばれている）が、その数週間前に誕生していました。翌年には3人目の編集された子供が誕生しました。この研究は、ダウドナを含む、公に発言したほぼすべての遺伝学者から非難されました。賀建奎は深センの非公開法庭で裁判にかけられ、違法な医療行為で懲役3年の判決を受け、2022年に釈放されました。彼はこの執筆時点で、新しい研究室を運営しています。

3人の子供たちが持つ編集は、生殖系列を含む体内のすべての細胞に存在します。彼らに子供ができた場合、その子供たちにもその変更が遺伝します。これは、ある世代から次の世代へと引き継がれる初めての意図的な人類への改変ですが、私たちはCCR5が何をしているのか完全に理解していません。賀建奎のツールが粗雑に模倣しようとした自然欠損の保有者は、ウエストナイルウイルスによる死亡率がやや高く、データのいくつかの解釈によれば、インフルエンザによる死亡率も高いことが示されています。編集自体のオフターゲット効果は、基礎となる配列データが公開されていないため、第三者によって検証されたことは一度もありません。

私たちがまだ知らないこと

体内で安全に編集を行う方法はわかっていません。Casgevyの手順が機能するのは、編集された細胞が患者から取り出され、検証されてから再輸注されるためです。体内での器官の編集を検証することははるかに困難です。オフターゲット切断——ターゲットに単に類似している配列での編集——は、細胞タイプやガイドRNAに依存する割合で発生し、現在のモデルではそれらを確実に予測することはできません。

ゲノムの大部分が何をしているのかわかっていません。約2万個のタンパク質をコードする遺伝子がカタログ化されていますが、それらをオン・オフする調節領域や、共通の変異がどのように相互作用するかは、大部分が未解明です。単一の壊れた遺伝子よりも複雑な形質——身長、気質、認知——のために編集するには、誰も持っていない知識が必要になります。

誰が決めるべきなのかわかっていません。2018年の胚の研究は専門分野から非難されましたが、事前に賀建奎を縛るいかなる法律によっても防がれませんでした。生殖系列の編集に関する世界的な条約は存在しません。各国がそれぞれ独自の規則を書くか、あるいは何も書かず、そのための設備は今や中古車1台より安くなっています。

38億年の間、分子が生物を書いてきました。細菌がウイルスを切断する方法を進化させ、大学院生がそれに気づき、そして今、一握りのクリニックで、生物が分子を書き戻しています。

В 2012 году двое ученых придумали, как превратить иммунную систему бактерий в программируемые ножницы для ДНК. Одиннадцать лет спустя первый пациент с серповидноклеточной анемией вышел из клиники вылеченным. В промежутке между этими событиями исследователь из Шэньчжэня применил тот же инструмент на человеческих эмбрионах.

В 2007 году ученые в области пищевой промышленности из датской компании Danisco опубликовали статью, показывающую, что бактерии, используемые для ферментации йогурта, обладают иммунной системой. При нападении вируса бактерия сохраняла фрагмент ДНК захватчика в собственном геноме между короткими повторяющимися последовательностями в качестве своеобразного фоторобота. При следующем появлении вируса клетка распознавала его и разрезала на части. Повторяющиеся последовательности имели название, о котором почти никто за пределами микробиологии никогда не слышал: Короткие Палиндромные Повторы, Регулярно Расположенные Группами. CRISPR.

Пять лет спустя, в июне 2012 года, Jennifer Doudna в Беркли и Emmanuelle Charpentier в Умео опубликовали статью в журнале Science, показавшую, что бактериальную защиту можно перепрограммировать. Достаточно предоставить короткий фрагмент направляющей РНК, соответствующий любой желаемой последовательности, и режущий фермент — Cas9 — отправится к этому месту в геноме и разрежет обе цепи. Собственный механизм восстановления клетки затем попытается соединить разрыв, и во время восстановления его можно убедить встроить новый фрагмент. Методика сработала на человеческих клетках. Она стоила несколько долларов за эксперимент. Аспирант мог сделать это на лабораторном столе за один день.

Что на самом деле делают ножницы

CRISPR не редактирует ДНК так, как текстовый процессор редактирует текст. Он ее ломает. Обе цепи двойной спирали аккуратно разрезаются в месте, на которое указывает направляющая РНК, а собственный механизм восстановления клетки делает все остальное. Это остальное происходит беспорядочно. Иногда клетка сшивает концы вместе и теряет при этом несколько букв — это полезно, если ваша цель — отключить ген. Иногда, если предоставить шаблон, клетка копирует с него, и получается чистое редактирование. Иногда она редактирует совершенно не то место. Системы редактирования оснований и праймированного редактирования, разработанные с 2016 года группой David Liu в Broad Institute, работают аккуратнее — они заменяют отдельные буквы без полного разрыва двух цепей, — но они все еще не заменяют команду «найти и заменить». Это направленный вандализм с клининговой службой.

То, что это позволяет делать даже при нынешнем несовершенстве технологии, весьма существенно. В конце 2023 года регулирующие органы Великобритании и США одобрили Casgevy, терапию на основе CRISPR, которая редактирует собственные стволовые клетки костного мозга пациента для реактивации фетального гемоглобина и обращения серповидноклеточной анемии вспять. Первая пациентка в рамках испытания, Victoria Gray, получила инфузию в Нэшвилле в июле 2019 года и с тех пор не испытывала болевых кризов. В отдельном испытании, проводимом компанией Editas Medicine, технология CRISPR доставлялась непосредственно в глаз для восстановления измеримого зрения у пациентов с Leber congenital amaurosis, формой наследственной слепоты. Исследователи в Лондоне и Терни создали генные драйвы gene drives, которые в изолированных популяциях уничтожают колонии комаров за десять поколений, внедряя в генофонд редактирование, нарушающее фертильность. В компании eGenesis в Массачусетсе свиньи были отредактированы более чем в семидесяти местах, чтобы сделать их органы пригодными для трансплантации человеку; в январе 2022 года мужчина по имени Дэвид Беннетт получил одно из таких сердец и прожил два месяца.

Черта в Шэньчжэне

В ноябре 2018 года китайский биофизик по имени He Jiankui объявил на конференции в Гонконге, что использовал CRISPR для редактирования геномов человеческих эмбрионов и имплантировал их. За несколько недель до этого родились девочки-близнецы, публично именуемые Лулу и Нана, с инженерными изменениями в гене под названием CCR5, призванными обеспечить устойчивость к ВИЧ. Третий отредактированный ребенок родился в следующем году. Работа была осуждена почти всеми генетиками, выступившими публично, включая Даудну. Хэ Цзянькуй предстал перед закрытым судом в Шэньчжэне, был приговорен к трем годам тюремного заключения за незаконную медицинскую практику и освобожден в 2022 году. На момент написания этого текста он руководит новой лабораторией.

Редактирование, которое несут в себе трое детей, присутствует в каждой клетке их тела, включая половые клетки. Если у них будут дети, эти дети унаследуют изменения. Это первое преднамеренное изменение человека, переданное от одного поколения к следующему, и мы не знаем до конца, что делает CCR5. Носители естественной делеции, которую инструмент Хэ Цзянькуя пытался грубо сымитировать, демонстрируют несколько более высокую смертность от вируса Западного Нила и, по некоторым прочтениям данных, от гриппа. Внецелевые эффекты самого редактирования никогда не проверялись независимыми экспертами, поскольку исходные данные секвенирования никогда не публиковались.

Чего мы все еще не знаем

Мы не знаем, как безопасно редактировать внутри тела. Процедура Casgevy работает потому, что отредактированные клетки извлекаются из пациента, проверяются и вводятся обратно; редактирование органов внутри тела проверить гораздо сложнее. Внецелевые разрезы — редактирование в последовательностях, которые лишь напоминают мишень — происходят с частотой, зависящей от типа клеток и направляющей РНК, и современные модели не могут надежно их предсказать.

Мы не знаем, что делает большая часть генома. Было каталогизировано около 20 000 белок-кодирующих генов, но регуляторные области, которые включают и выключают их, и то, как взаимодействуют общие варианты, остаются в значительной степени неизученными. Редактирование более сложных признаков, чем один сломанный ген (рост, темперамент, когнитивные способности), потребовало бы знаний, которыми никто не обладает.

Мы не знаем, кто имеет право решать. Эксперимент с эмбрионами 2018 года был осужден специалистами, но не был предотвращен никаким законом, который бы связывал Хэ Цзянькуя заранее. Глобального договора по редактированию половых клеток не существует. Каждая страна пишет свои правила или не пишет никаких, а оборудование сейчас стоит дешевле подержанного автомобиля.

В течение 3,8 миллиарда лет молекула писала организм. Бактерия развила способ разрезать вирус; аспирант заметил это; и теперь в нескольких клиниках организм пишет в ответ.

Im Jahr 2012 herausfanden zwei Wissenschaftlerinnen, wie man ein bakterielles Immunsystem in eine programmierbare Schere für DNA verwandelt. Elf Jahre später verließ der erste Patient mit Sichelzellkrankheit eine Klinik geheilt. Dalggegenüber wandte ein Forscher in Shenzhen dasselbe Werkzeug bei menschlichen Embryonen an.

Im Jahr 2007 veröffentlichten Lebensmittelwissenschaftler eines dänischen Unternehmens namens Danisco eine Arbeit, die zeigte, dass die zur Fermentierung von Joghurt verwendeten Bakterien ein Immunsystem besitzen. Bei einem Angriff durch ein Virus bewahrte das Bakterium einen Schnipsel der DNA des Angreifers in seinem eigenen Genom auf, abgelegt zwischen kurzen, sich wiederholenden Sequenzen, als eine Art Fahndungsfoto. Wenn das Virus das nächste Mal auftauchte, erkannte die Zelle es und schnitt es in Stücke. Die sich wiederholenden Sequenzen hatten einen Namen, den außerhalb der Mikrobiologie fast niemand je gehört hatte: Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. CRISPR.

Fünf Jahre später, im Juni 2012, veröffentlichten Jennifer Doudna in Berkeley und Emmanuelle Charpentier in Umeå einen Artikel in Science, der zeigte, dass die bakterielle Abwehr umprogrammiert werden kann. Man stellt ein kurzes Stück Leit-RNA zur Verfügung, das zu einer beliebigen Sequenz passt, und das Schneideenzym — Cas9 — wandert zu dieser Stelle im Genom und schneidet beide Stränge durch. Die zelleigene Reparaturmaschinerie versucht dann, den Bruch wieder zusammenzufügen, und während der Reparatur kann man sie dazu bewegen, ein neues Stück einzubauen. Die technique funktionierte in menschlichen Zellen. Sie kostete ein paar Dollar pro Experiment. Ein Doktorand konnte sie an einem Nachmittag auf einem Labortisch durchführen.

Was die Schere eigentlich tut

CRISPR editiert die DNA nicht so, wie ein Textverarbeitungsprogramm Text editiert. Es bricht sie auf. Beide Stränge der Doppelhelix werden an der von der Leit-RNA vorgegebenen Position sauber durchtrennt, und die zelleigene Reparaturmaschinerie erledigt den Rest. Der Rest ist chaotisch. Manchmal näht die Zelle die Enden wieder zusammen und verliert dabei einige Buchstaben — nützlich, wenn das Ziel darin besteht, ein Gen auszuschalten. Manchmal, wenn man eine Vorlage bereitstellt, kopiert die Zelle von der Vorlage und man erhält ein sauberes Edit. Manchmal editiert sie an einer völlig falschen Stelle. Die seit 2016 von David Lius Gruppe am Broad Institute entwickelten Base-Editing- und Prime-Editing-Systeme sind sauberer — sie tauschen einzelne Buchstaben aus, ohne dass es zu einem vollständigen Doppelstrangbruch kommt —, aber sie sind immer noch kein Suchen-und-Ersetzen. Sie sind geführter Vandalismus mit einem Aufräumtrupp.

Was sich damit selbst im heutigen, unfertigen Zustand erreichen lässt, ist beträchtlich. Ende 2023 genehmigten die britischen und US-amerikanischen Aufsichtsbehörden Casgevy, eine CRISPR-Therapie, die die körpereigenen Knochenmark-Stammzellen eines Patienten editiert, um fetales Hämoglobin zu reaktivieren und die Sichelzellkrankheit rückgängig zu machen. Die erste Patientin der Studie, Victoria Gray, erhielt ihre Infusion im Juli 2019 in Nashville und hatte seitdem keine Schmerzkrise mehr. In einer separaten Studie von Editas Medicine wurde CRISPR direkt in das Auge eingeschleust, um bei Patienten mit Leber congenital amaurosis, einer Form von erblicher Blindheit, ein messbares Sehvermögen wiederherzustellen. Forscher in London und Terni haben Gene Drives gene drives gebaut, die in eingegrenzten Populationen Mückenkolonien innerhalb von zehn Generationen zum Absturz bringen, indem sie eine die Fruchtbarkeit störende Editierung durch den Genpool erzwingen. Bei eGenesis in Massachusetts wurden Schweine an mehr als siebzig Stellen editiert, um ihre Organe für die Transplantation in den Menschen geeignet zu machen; im Januar 2022 erhielt ein Mann namens David Bennett eines ihrer Herzen und lebte zwei Monate lang.

Die Linie in Shenzhen

Im November 2018 gab ein chinesischer Biophysiker namens He Jiankui auf einer Konferenz in Hongkong bekannt, dass er mit CRISPR die Genome menschlicher Embryonen editiert und diese implantiert hatte. Zwillingsmädchen, die in der Öffentlichkeit als Lulu und Nana bezeichnet werden, waren einige Wochen zuvor mit gentechnisch veränderten Änderungen an einem Gen namens CCR5 geboren worden, die eine Resistenz gegen HIV verleihen sollten. Ein drittes editiertes Kind wurde im folgenden Jahr geboren. Die Arbeit wurde von fast jedem Genetiker verurteilt, der sich öffentlich äußerte, einschließlich Doudna. He Jiankui wurde vor einem geschlossenen Gericht in Shenzhen der Prozess gemacht, wegen illegaler Ausübung der Medizin zu drei Jahren Gefängnis verurteilt und 2022 freigelassen. Er leitet zum Zeitpunkt der Abfassung dieses Artikels ein neues Labor.

Die Veränderungen, die die drei Kinder in sich tragen, befinden sich in jeder Zelle ihres Körpers, einschließlich ihrer Keimbahn. Wenn sie Kinder haben, werden diese Kinder die Veränderungen erben. Es ist die erste bewusste menschliche Veränderung, die jemals von einer Generation an die nächste weitergegeben wurde, und wir wissen nicht vollständig, was CCR5 tut. Träger der natürlichen Deletion, die He Jiankuis Werkzeug grob nachzuahmen versuchte, zeigen eine etwas höhere Sterblichkeit durch das West-Nil-Virus und, nach einigen Interpretationen der Daten, durch Influenza. Die Off-Target-Effekte der Editierung selbst wurden nie unabhängig verifiziert, da die zugrunde liegenden Sequenzierungsdaten nie veröffentlicht wurden.

Was wir immer noch nicht wissen

Wir wissen nicht, wie man im Körper sicher editiert. Das Casgevy-Verfahren funktioniert, weil die editierten Zellen dem Patienten entnommen, überprüft und wieder infundiert werden; die Editierung von Organen im Körper ist viel schwieriger zu überprüfen. Off-Target-Schnitte — Editierungen an Sequenzen, die dem Ziel lediglich ähneln — treten in Raten auf, die vom Zelltyp und der Leit-RNA abhängen, und aktuelle Modelle können sie nicht zuverlässig vorhersagen.

Wir wissen nicht, was der Großteil des Genoms tut. Etwa 20.000 proteincodierende Gene sind katalogisiert, aber die regulatorischen Regionen, die sie an- und ausschalten, und die Art und Weise, wie häufige Varianten interagieren, sind weitgehend unerforscht. Editierungen für komplexere Merkmale als ein einzelnes defektes Gen — Körpergröße, Temperament, Kognition — würden Wissen erfordern, das niemand besitzt.

Wir wissen nicht, wer die Entscheidung trifft. Die Arbeit an Embryonen im Jahr 2018 wurde von Fachleuten verurteilt, aber durch kein Gesetz verhindert, das He Jiankui im Vorfeld band. Es gibt keinen globalen Vertrag zur Keimbahneditierung. Jedes Land schreibt seine eigenen Regeln oder gar keine, und die Ausrüstung kostet heute weniger als ein Gebrauchtwagen.

Für 3,8 Milliarden Jahre schrieb das Molekül den Organismus. Ein Bakterium entwickelte einen Weg, ein Virus zu zerschneiden; ein Doktorand bemerkte es; und nun, in einer Handvoll Kliniken, schreibt der Organismus zurück.

En 2012, deux scientifiques découvraient comment transformer un système immunitaire bactérien en une paire de ciseaux programmables pour l’ADN. Onze ans plus tard, le premier patient atteint de drépanocytose quittait une clinique, guéri. Entre-temps, à Shenzhen, un chercheur utilisait ce même outil sur des embryons humains.

En 2007, des chercheurs en agroalimentaire d'une entreprise danoise nommée Danisco publièrent un article démontrant que les bactéries utilisées pour la fermentation du yaourt possédaient un système immunitaire. Lorsqu'elle était attaquée par un virus, la bactérie conservait un fragment de l'ADN de l'envahisseur, archivé dans son propre génome entre de courtes séquences répétées, comme une sorte de portrait-robot. À la prochaine apparition du virus, la cellule le reconnaissait et le taillait en pièces. Ces séquences répétitives portaient un nom dont presque personne, en dehors du milieu de la microbiologie, n'avait jamais entendu parler : Courtes répétitions palindromiques groupées et régulièrement espacées. CRISPR.

Cinq ans plus tard, en juin 2012, Jennifer Doudna à Berkeley et Emmanuelle Charpentier à Umeå publièrent un article dans Science démontrant que cette défense bactérienne pouvait être reprogrammée. En fournissant un court fragment d'ARN guide correspondant à n'importe quelle séquence choisie, l'enzyme de découpe — Cas9 — se déplaçait vers ce point précis du génome et sectionnait les deux brins. Le mécanisme de réparation de la cellule tentait alors de combler la rupture et, durant l'opération, on pouvait la persuader d'incorporer un nouveau fragment. La technique fonctionnait sur des cellules humaines. Elle ne coûtait que quelques dollars par expérience. Un doctorant pouvait l'exécuter sur une paillasse en un après-midi.

Ce que font réellement les ciseaux

CRISPR n'édite pas l'ADN à la manière d'un traitement de texte éditant un document. Il le brise. Les deux brins de la double hélice sont sectionnés, net, à l'endroit indiqué par l'ARN guide, et le mécanisme de réparation de la cellule fait le reste. Le reste est désordonné. Parfois, la cellule recoud les extrémités et perd quelques lettres au passage — ce qui est utile si l'objectif est de désactiver un gène. Parfois, si l'on fournit une matrice, la cellule copie ce modèle et l'on obtient une édition propre. Parfois, elle édite un endroit totalement différent. Les systèmes d'édition de bases et de « prime editing » développés depuis 2016 par le groupe de David Liu au Broad Institute sont plus soignés — ils échangent des lettres individuelles sans rupture complète de la double hélice — mais ils ne sont toujours pas des équivalents du « rechercher-remplacer ». Ils s'apparentent à un vandalisme guidé accompagné d'une équipe de nettoyage.

Ce que cela permet de réaliser, même avec la rudesse actuelle des outils, est considérable. Fin 2023, les régulateurs britanniques et américains ont approuvé Casgevy, une thérapie CRISPR qui édite les propres cellules souches de la moelle osseuse d'un patient pour réactiver l'hémoglobine fœtale et inverser la drépanocytose. La première patiente de l'essai, Victoria Gray, a reçu sa perfusion à Nashville en juillet 2019 et n'a plus connu de crise de douleur depuis. Un autre essai, mené par Editas Medicine, a utilisé CRISPR injecté directement dans l'œil pour restaurer une vision mesurable chez des patients atteints de Leber congenital amaurosis, une forme de cécité héréditaire. À Londres et à Terni, des chercheurs ont conçu des gene drives qui, au sein de populations en cage, provoquent l'effondrement de colonies de moustiques en moins de dix générations en imposant une modification perturbatrice de la fertilité à l'ensemble du patrimoine génétique. Chez eGenesis dans le Massachusetts, des porcs ont été édités sur plus de soixante-dix sites pour rendre leurs organes compatibles avec une transplantation humaine ; en janvier 2022, un homme nommé David Bennett a reçu l'un de leurs cœurs et a survécu deux mois.

La ligne franchie à Shenzhen

En novembre 2018, un biophysicien chinois nommé He Jiankui annonça lors d'une conférence à Hong Kong qu'il avait utilisé CRISPR pour éditer les génomes d'embryons humains avant de les implanter. Des jumelles, désignées publiquement sous les prénoms de Lulu et Nana, étaient nées quelques semaines plus tôt avec des modifications génétiques sur un gène appelé CCR5, destinées à conférer une résistance au VIH. Un troisième enfant édité est né l'année suivante. Ces travaux furent condamnés par la quasi-totalité des généticiens s'étant exprimés publiquement, y compris Doudna. He Jiankui fut jugé à huis clos à Shenzhen, condamné à trois ans de prison pour exercice illégal de la médecine, puis libéré en 2022. À l'heure où nous écrivons ces lignes, il dirige un nouveau laboratoire.

Les modifications portées par ces trois enfants se trouvent dans chaque cellule de leur corps, y compris dans leur lignée germinale. S'ils ont des enfants, ceux-ci hériteront de ces changements. Il s'agit de la toute première modification humaine délibérée transmise d'une génération à l'autre, et nous ignorons encore tout du rôle exact de CCR5. Les porteurs de la délétion naturelle que l'outil de He Jiankui tentait maladroitement d'imiter présentent une mortalité un peu plus élevée face au virus du Nil occidental et, selon certaines lectures des données, face à la grippe. Les effets « hors cible » de l'édition elle-même n'ont jamais été vérifiés de manière indépendante, car les données de séquençage sous-jacentes n'ont jamais été publiées.

Ce que nous ignorons encore

Nous ne savons pas comment éditer l'ADN en toute sécurité à l'intérieur du corps. La procédure Casgevy fonctionne parce que les cellules éditées sont retirées du patient, vérifiées, puis réinfusées ; l'édition d'organes in vivo est beaucoup plus difficile à valider. Les coupes hors cible — des modifications sur des séquences qui ressemblent simplement à la cible — surviennent à des fréquences qui dépendent du type de cellule et de l'ARN guide, et les modèles actuels ne permettent pas de les prédire de manière fiable.

Nous ignorons ce que fait la majeure partie du génome. Environ 20 000 gènes codant pour des protéines ont été répertoriés, mais les régions régulatrices qui les activent ou les désactivent, ainsi que la manière dont les variantes communes interagissent entre elles, restent largement inexplorées. Éditer des traits plus complexes qu'un simple gène défectueux — la taille, le tempérament, la cognition — exigerait des connaissances que personne ne possède.

Nous ne savons pas qui a le pouvoir de décider. Les travaux de 2018 sur les embryons ont été condamnés par le milieu, mais n'ont été empêchés par aucune loi qui s'imposait à He Jiankui par avance. Il n'existe aucun traité mondial sur l'édition de la lignée germinale. Chaque pays rédige ses propres règles, ou n'en rédige aucune, et l'équipement nécessaire coûte désormais moins cher qu'une voiture d'occasion.

Pendant 3,8 milliards d'années, la molécule a écrit l'organisme. Une bactérie a développé un moyen de découper un virus ; un doctorant l'a remarqué ; et désormais, dans une poignée de cliniques, l'organisme écrit à son tour.

2012년, 두 과학자는 박테리아의 면역 체계를 프로그래밍 가능한 DNA 가위로 탈바꿈시키는 방법을 찾아냈다. 11년 뒤, 겸상 적혈구 질환을 앓던 첫 환자가 완치되어 병원 문을 나섰다. 그사이, 선전의 한 연구자는 바로 그 도구를 인간 배아에 사용했다.

2007년, 다니스코(Danisco)라는 이름의 덴마크 기업에 근무하는 식품 과학자들은 요거트 발효에 사용되는 박테리아에 면역 체계가 있다는 사실을 밝힌 논문을 발표했다. 바이러스의 공격을 받으면, 박테리아는 침입자의 DNA 조각을 자신의 게놈 내 짧은 반복 서열 사이에 마치 머그샷처럼 저장해 두었다. 다음에 바이러스가 나타나면, 세포는 이를 인식하고 조각내 버렸다. 미생물학계 외부에서는 거의 들어본 적 없는 이 반복 서열에는 '주기적으로 간격을 띄고 분포하는 짧은 회문 구조의 반복 서열(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)', 즉 CRISPR라는 이름이 붙었다.

5년 뒤인 2012년 6월, 버클리의 Jennifer Doudna와 우메오의 Emmanuelle Charpentier는 <사이언스> 지에 박테리아의 방어 기제를 재프로그래밍할 수 있음을 보여주는 논문을 발표했다. 원하는 서열과 일치하는 짧은 가이드 RNA 조각을 제공하면, 절단 효소인 Cas9가 게놈의 해당 지점으로 이동해 양쪽 가닥을 모두 잘라냈다. 그러면 세포의 복구 기제가 끊어진 부분을 다시 연결하려고 시도하는데, 이 수리 과정에서 새로운 조각을 삽입하도록 유도할 수 있었다. 이 기술은 인간 세포에서도 작동했다. 실험당 비용은 단 몇 달러에 불과했다. 대학원생 한 명이 오후 내내 실험대에서 해낼 수 있는 수준이었다.

가위가 실제로 하는 일

크리스퍼는 워드 프로세서가 텍스트를 편집하듯 DNA를 편집하지 않는다. 크리스퍼는 DNA를 파괴한다. 가이드 RNA가 가리키는 위치에서 이중 나선의 두 가닥이 깔끔하게 잘리면, 세포 자체의 복구 기제가 나머지를 처리한다. 그 나머지는 무질서하다. 때로는 세포가 끝부분을 다시 이어 붙이는 과정에서 염기 몇 개를 잃기도 하는데, 유전자를 비활성화하는 것이 목표라면 유용하다. 때로는 템플릿을 제공하면 세포가 이를 복제하여 깔끔한 편집이 이루어지기도 한다. 때로는 완전히 엉뚱한 곳을 편집하기도 한다. 2016년부터 Broad Institute의 David Liu 교수팀이 개발한 염기 편집 및 프라임 편집 시스템은 이중 가닥 전체를 절단하지 않고 개별 염기만 교체하므로 더 정교하지만, 여전히 '찾아 바꾸기(Control-F)' 수준은 아니다. 그것은 수습 요원을 동반한 유도된 기물 파손에 가깝다.

비록 현재는 투박할지라도, 이 기술로 할 수 있는 일은 상당하다. 2023년 말, 영국과 미국의 규제 당국은 환자의 골수 줄기세포를 편집해 태아 헤모글로빈을 재활성화하고 겸상 적응증 빈혈을 치료하는 크리스퍼 치료제인 Casgevy를 승인했다. 임상 시험의 첫 번째 환자인 Victoria Gray는 2019년 7월 내슈빌에서 수혈을 받았으며, 그 이후로 통증 발작을 겪지 않았다. 에디타스 메디신(Editas Medicine)이 진행한 별도의 임상 시험에서는 유전성 실명의 일종인 Leber congenital amaurosis 환자들의 측정 가능한 시력을 회복시키기 위해 안구에 직접 크리스퍼를 주입했다. 런던과 테르니의 연구진은 가두어 놓은 개체군 내에서 번식 방해 편집을 유전자 풀 전체에 강제 확산시켜 10세대 안에 모기 군집을 붕괴시키는 gene drives를 구축했다. 매사추세츠의 이제네시스(eGenesis)에서는 돼지의 장기를 인간 이식에 적합하게 만들기 위해 70곳 이상의 부위를 편집했다. 2022년 1월, 데이비드 베넷이라는 남성은 이들의 돼지 심장을 이식받아 두 달 동안 생존했다.

선전의 경계선

2018년 11월, He Jiankui라는 이름의 중국 생물물리학자가 홍콩에서 열린 컨퍼런스에서 크리스퍼를 사용해 인간 배아의 게놈을 편집하고 이를 이식했다고 발표했다. 대외적으로 룰루와 나나로 알려진 쌍둥이 소녀가 HIV에 대한 저항력을 갖도록 설계된 CCR5라는 유전자의 변형을 안고 몇 주 전에 태어났다. 이듬해에는 세 번째 편집된 아이가 태어났다. 이 작업은 다우드나를 포함해 공개적으로 발언한 거의 모든 유전학자로부터 비난을 받았다. 허젠쿠이는 선전의 비공개 법정에서 재판을 받았고, 불법 의료 행위 혐의로 징역 3년을 선고받았으며 2022년에 석방되었다. 그는 이 글을 쓰는 현재 새로운 연구소를 운영하고 있다.

세 아이가 가진 편집된 유전자는 생식계열을 포함해 신체의 모든 세포에 존재한다. 만약 그들이 자녀를 갖는다면, 그 자녀들은 그 변화를 물려받게 될 것이다. 이는 한 세대에서 다음 세대로 전달되는 최초의 의도적인 인간 개조이며, 우리는 CCR5가 정확히 어떤 역할을 하는지 완전히 알지 못한다. 허젠쿠이의 도구가 조잡하게 모방하려 했던 자연적인 유전자 결손을 보유한 사람들은 웨스트 나일 바이러스에 대해, 그리고 일부 데이터 해석에 따르면 인플루엔자에 대해서도 다소 높은 사망률을 보였다. 편집 자체의 표적 이탈 효과는 그 바탕이 되는 시퀀싱 데이터가 공개된 적이 없기 때문에 독립적으로 검증된 바가 없다.

우리가 아직 모르는 것들

우리는 체내에서 어떻게 안전하게 편집할 수 있는지 모른다. 카스게비(Casgevy) 시술이 가능한 이유는 편집된 세포를 환자의 몸에서 꺼내 확인한 뒤 다시 주입하기 때문이다. 체내 장기를 직접 편집하는 것은 검증하기가 훨씬 더 어렵다. 표적과 비슷하게 생긴 서열을 잘라버리는 표적 이탈 절단은 세포 유형과 가이드 RNA에 따라 다른 비율로 발생하며, 현재의 모델로는 이를 확실하게 예측할 수 없다.

우리는 게놈 대부분이 무슨 일을 하는지 모른다. 약 20,000개의 단백질 코딩 유전자가 목록화되었지만, 유전자를 켜고 끄는 조절 영역과 일반적인 변이들이 상호작용하는 방식은 대체로 미개척 상태다. 키, 기질, 인지 능력처럼 단일 유전자 결함보다 복잡한 특성을 편집하려면 누구도 갖지 못한 지식이 필요할 것이다.

우리는 누가 결정권을 갖는지 모른다. 2018년의 배아 연구는 학계의 비난을 받았지만, 사전에 허젠쿠이를 구속할 수 있는 그 어떤 법률로도 이를 막지는 못했다. 생식계열 편집에 관한 국제 조약은 존재하지 않는다. 각국은 각자의 규칙을 만들거나 아예 만들지 않으며, 현재 관련 장비의 가격은 중고차 한 대 값보다 저렴하다.

38억 년 동안 분자가 생명체를 써 내려왔다. 박테리아는 바이러스를 자르는 방법을 진화시켰고, 한 대학원생이 이를 알아챘으며, 이제 몇몇 클리닉에서는 생명체가 그 기록에 답장을 보내고 있다.

२०१२ में, दो वैज्ञानिकों ने बैक्टीरिया की प्रतिरक्षा प्रणाली को डीएनए की प्रोग्राम-योग्य कैंची में बदलने का तरीका खोज निकाला। ग्यारह साल बाद, सिकल-सेल रोग से ग्रस्त पहला मरीज़ पूरी तरह स्वस्थ होकर क्लिनिक से बाहर निकला। इसी बीच, शेन्ज़ेन के एक शोधकर्ता ने इसी तकनीक का प्रयोग मानव भ्रूणों पर किया।

2007 में, डेनिसो (Danisco) नामक एक डेनिश कंपनी के खाद्य वैज्ञानिकों ने एक शोध पत्र प्रकाशित किया जिसमें बताया गया कि दही के किण्वन के लिए उपयोग किए जाने वाले बैक्टीरिया में एक प्रतिरक्षा प्रणाली होती है। जब किसी वायरस द्वारा हमला किया जाता है, तो बैक्टीरिया आक्रमणकारी के डीएनए का एक अंश अपनी ही जीनोम में, छोटे दोहराए गए अनुक्रमों के बीच, एक 'मग शॉट' की तरह सहेज कर रख लेता है। अगली बार जब वायरस हमला करता है, तो कोशिका उसे पहचान लेती है और उसके टुकड़े-टुकड़े कर देती है। इन दोहराए जाने वाले अनुक्रमों का एक ऐसा नाम था जिसके बारे में सूक्ष्म जीव विज्ञान के बाहर शायद ही किसी ने सुना था: 'क्लस्टर्ड रेगुलरली इंटरस्पेस्ड शॉर्ट पालिंड्रोमिक रिपीट्स'। यानी क्रिस्पर (CRISPR)।

पाँच साल बाद, जून 2012 में, बर्कले में Jennifer Doudna और उमिया में Emmanuelle Charpentier ने 'साइंस' पत्रिका में एक शोध पत्र प्रकाशित किया जिसमें दिखाया गया कि बैक्टीरिया की इस रक्षा प्रणाली को 'रीप्रोग्राम' किया जा सकता है। आप अपनी पसंद के किसी भी अनुक्रम से मेल खाने वाले 'गाइड आरएनए' का एक छोटा टुकड़ा प्रदान करें, और काटने वाला एंजाइम — Cas9 — जीनोम में उस सटीक स्थान पर जाकर दोनों धागों को काट देगा। कोशिका का मरम्मत तंत्र तब उस टूट-फूट को फिर से जोड़ने की कोशिश करेगा, और इस मरम्मत के दौरान आप उसे एक नया टुकड़ा शामिल करने के लिए राजी कर सकते हैं। यह तकनीक मानव कोशिकाओं में भी कारगर रही। इसमें प्रति प्रयोग महज कुछ ही डॉलर का खर्च आया। कोई भी स्नातक छात्र लैब की मेज पर एक ही दोपहर में यह काम कर सकता था।

कैंची वास्तव में क्या करती है

क्रिस्पर डीएनए को उस तरह संपादित नहीं करता जिस तरह एक वर्ड प्रोसेसर टेक्स्ट को संपादित करता है। यह उसे तोड़ता है। 'डबल हेलिक्स' के दोनों धागों को उस स्थान पर साफ-सुथरे ढंग से काटा जाता है जहाँ गाइड आरएनए इशारा करता है, और कोशिका का अपना मरम्मत तंत्र बाकी काम करता है। बाकी का काम काफी अव्यवस्थित होता है। कभी-कभी कोशिका सिरों को वापस जोड़ देती है और इस प्रक्रिया में कुछ अक्षर खो देती है — यह तब उपयोगी है जब आपका लक्ष्य किसी जीन को निष्क्रिय करना हो। कभी-कभी, यदि आप एक टेम्पलेट प्रदान करते हैं, तो कोशिका उस टेम्पलेट की नकल करती है और आपको एक सटीक संपादन प्राप्त होता है। कभी-कभी यह पूरी तरह से गलत जगह संपादन कर देता है। 2016 के बाद से Broad Institute में David Liu के समूह द्वारा विकसित 'बेस-एडिटिंग' और 'प्राइम-एडिटिंग' प्रणालियाँ अधिक सुव्यवस्थित हैं — वे पूर्ण डबल-स्ट्रैंड ब्रेक के बिना व्यक्तिगत अक्षरों को बदलते हैं — लेकिन वे अभी भी 'कंट्रोल-एफ-एंड-रिप्लेस' जैसी नहीं हैं। वे एक सफाई दल के साथ की गई सुव्यवस्थित तोड़-फोड़ हैं।

वर्तमान की इस अपरिपक्वता के बावजूद, यह जो कुछ करने में सक्षम है वह काफी महत्वपूर्ण है। 2023 के अंत में, ब्रिटेन और अमेरिका के नियामकों ने Casgevy को मंजूरी दी, जो एक क्रिस्पर थेरेपी है। यह रोगी की अपनी अस्थि मज्जा की स्टेम कोशिकाओं को संपादित करती है ताकि 'भ्रूण हीमोग्लोबिन' को पुन: सक्रिय किया जा सके और 'सिकल-सेल' रोग को पलटा जा सके। इस परीक्षण की पहली मरीज, Victoria Gray, को जुलाई 2019 में नैशविले में अपना 'इन्फ्यूजन' प्राप्त हुआ और तब से उन्हें दर्द का कोई दौरा नहीं पड़ा है। एडिटास मेडिसिन द्वारा संचालित एक अलग परीक्षण में, Leber congenital amaurosis — जो आनुवंशिक अंधेपन का एक रूप है — से पीड़ित मरीजों की आंखों की रोशनी बहाल करने के लिए सीधे आंख में क्रिस्पर पहुँचाया गया। लंदन और टर्नी के शोधकर्ताओं ने gene drives बनाए हैं, जो पिंजरों में रखी मच्छरों की आबादी में प्रजनन-बाधक संपादन को जीन पूल के माध्यम से जबरन फैलाकर दस पीढ़ियों के भीतर उनकी बस्तियों को तबाह कर देते हैं। मैसाचुसेट्स के ई-जेनेसिस (eGenesis) में, सूअरों के अंगों को मानव प्रत्यारोपण के लिए उपयुक्त बनाने हेतु सत्तर से अधिक स्थानों पर संपादन किए गए हैं; जनवरी 2022 में डेविड बेनेट नामक व्यक्ति ने उनका एक हृदय प्राप्त किया और वे दो महीने तक जीवित रहे।

शेन्ज़ेन की सीमा रेखा

नवंबर 2018 में, He Jiankui नामक एक चीनी बायोफिज़िसिस्ट ने हांगकांग के एक सम्मेलन में घोषणा की कि उन्होंने मानव भ्रूण के जीनोम को संपादित करने के लिए क्रिस्पर का उपयोग किया था और उन्हें प्रत्यारोपित किया था। जुड़वां लड़कियां, जिन्हें सार्वजनिक रूप से लुलु और नाना कहा गया, कुछ हफ्ते पहले पैदा हुई थीं। उनके 'CCR5' नामक जीन में इंजीनियर बदलाव किए गए थे, जिसका उद्देश्य उन्हें एचआईवी के प्रति प्रतिरोधी बनाना था। अगले वर्ष एक तीसरा संपादित बच्चा पैदा हुआ। डौडना सहित सार्वजनिक रूप से बोलने वाले लगभग हर आनुवंशिकीविद् ने इस कार्य की निंदा की। ही जियानकुई पर शेन्ज़ेन की एक बंद अदालत में मुकदमा चलाया गया, अवैध रूप से चिकित्सा का अभ्यास करने के लिए तीन साल की जेल की सजा सुनाई गई और 2022 में उन्हें रिहा कर दिया गया। इस लेख के लिखे जाने तक, वह एक नई लैब चला रहे हैं।

इन तीनों बच्चों में जो संपादन किए गए हैं, वे उनके शरीर की हर कोशिका में मौजूद हैं, जिसमें उनकी 'जर्मलाइन' भी शामिल है। यदि उनके बच्चे होते हैं, तो वे बच्चे इन बदलावों को विरासत में प्राप्त करेंगे। यह मानव द्वारा किया गया पहला ऐसा जानबूझकर किया गया संशोधन है जो एक पीढ़ी से दूसरी पीढ़ी में जाएगा, और हम अभी तक पूरी तरह से नहीं जानते कि CCR5 क्या करता है। जिस प्राकृतिक विलोपन की नकल ही जियानकुई का उपकरण भद्दे ढंग से करने की कोशिश कर रहा था, उसके धारकों में वेस्ट नाइल वायरस और, आंकड़ों की कुछ व्याख्याओं के अनुसार, इन्फ्लूएंजा से मृत्यु दर थोड़ी अधिक देखी गई है। स्वयं संपादन के 'ऑफ-टारगेट' प्रभावों को कभी भी स्वतंत्र रूप से सत्यापित नहीं किया गया है, क्योंकि संबंधित सीक्वेंसिंग डेटा कभी जारी नहीं किया गया है।

जो हम अभी भी नहीं जानते

हम नहीं जानते कि शरीर के भीतर सुरक्षित रूप से संपादन कैसे किया जाए। 'कैसगेवी' प्रक्रिया इसलिए काम करती है क्योंकि संपादित कोशिकाओं को रोगी के शरीर से निकाला जाता है, जांचा जाता है और फिर से डाला जाता है; शरीर के भीतर अंगों के संपादन को सत्यापित करना कहीं अधिक कठिन है। 'ऑफ-टारगेट' कट — उन अनुक्रमों पर संपादन जो लक्ष्य से केवल मिलते-जुलते हैं — ऐसी दरों पर होते हैं जो कोशिका के प्रकार और गाइड आरएनए पर निर्भर करते हैं, और वर्तमान मॉडल विश्वसनीय रूप से उनका पूर्वानुमान नहीं लगा सकते।

हम नहीं जानते कि अधिकांश जीनोम क्या करता है। लगभग 20,000 प्रोटीन-कोडिंग जीन सूचीबद्ध किए गए हैं, लेकिन उन्हें चालू और बंद करने वाले नियामक क्षेत्र, और सामान्य वेरिएंट्स के आपस में जुड़ने का तरीका काफी हद तक अज्ञात है। एक अकेले टूटे हुए जीन से अधिक जटिल लक्षणों — ऊंचाई, स्वभाव, संज्ञान — के लिए संपादन करने हेतु उस ज्ञान की आवश्यकता होगी जो अभी किसी के पास नहीं है।

हम नहीं जानते कि निर्णय लेने का अधिकार किसे है। 2018 के भ्रूण कार्य की इस क्षेत्र के विशेषज्ञों द्वारा निंदा की गई थी, लेकिन इसे किसी ऐसे कानून द्वारा नहीं रोका गया जो ही जियानकुई को पहले से बाध्य करता हो। जर्मलाइन संपादन पर कोई वैश्विक संधि नहीं है। हर देश अपने नियम खुद लिखता है, या कोई भी नियम नहीं बनाता, और इसके उपकरण की कीमत अब एक पुरानी कार से भी कम है।

3.8 अरब वर्षों तक अणुओं ने जीव को लिखा। एक बैक्टीरिया ने वायरस को काटने का तरीका विकसित किया; एक स्नातक छात्र ने उस पर ध्यान दिया; और अब, मुट्ठी भर क्लीनिकों में, जीव वापस लिख रहा है।

Image sources & licenses (7)

CRISPR Cas9 — National Institutes of Health (NIH), PDM 1.0. Source (openverse)
Presenting Pleistocene Park @SynBioBeta 2013, a fun coda of CRISPR codons — jurvetson, BY 2.0. Source (openverse)
Crispr — James atmos, BY-SA 3.0. Source (openverse)
CRISPR — Boghog, CC BY-SA 4.0. Source (wikipedia)
Type-I CRISPR RNA-guided surveillance complex (Cas, blue) bound to a ssDNA target (orange). The type I surveillance complex in Escherichia c — Thomas Splettstoesser (www.scistyle.com), CC BY-SA 4.0. Source (commons)
Diagrama de un locus CRISPR. Se muestran los genes Cas, la secuencia Leader y el arreglo CRISPR. — Nesper94, CC BY 4.0. Source (commons)
Diagram explaining steps behind simple CRISPR-based diagnostics — Domdomegg, CC BY 4.0. Source (commons)

Mentioned in this article

Sources

Jinek, M., Chylinski, K., Fonfara, I., Hauer, M., Doudna, J. A., Charpentier, E. (2012). "A Programmable Dual-RNA-Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity." Science 337, 816–821.
Barrangou, R. et al. (2007). "CRISPR Provides Acquired Resistance Against Viruses in Prokaryotes." Science 315, 1709–1712.
Frangoul, H. et al. (2021). "CRISPR-Cas9 Gene Editing for Sickle Cell Disease and β-Thalassemia." New England Journal of Medicine 384, 252–260.
Cyranoski, D. (2019). "The CRISPR-baby scandal: what's next for human gene-editing." Nature 566, 440–442.
Doudna, J. A. and Sternberg, S. H. (2017). A Crack in Creation: Gene Editing and the Unthinkable Power to Control Evolution. Houghton Mifflin Harcourt.

Production storyboard

The 90-second video script behind this article.

EN script

We can now edit DNA like editing a Word document. Delete a disease. Copy a gene. Paste it somewhere else. This technology already exists. And it's about to change everything. It's called CRISPR, and it works like molecular scissors. Scientists program a guide RNA to find a specific sequence in your DNA - like using Control-F to find a word. Then an enzyme called Cas9 cuts the DNA at exactly that spot. The cell tries to repair the cut, and scientists slip in whatever changes they want. We've already used it to cure genetic blindness. Patients who couldn't see now can. We've created mosquitoes that can't carry malaria. We've made pigs whose organs can be transplanted into humans. But here's where it gets wild. In 2018, a scientist in China edited human embryos to be resistant to HIV. Those children are alive today with edited DNA that they'll pass to their children. We crossed a line humanity has never crossed. We're now editing our own evolution. The same tool that could eliminate genetic diseases could also be used to design babies - choose their height, intelligence, athleticism. The ethics are terrifying. The potential is limitless. For 3.8 billion years, DNA controlled us. Now, for the first time in the history of life on Earth, we control it back.

HI script

Hum ab DNA ko Word document ki tarah edit kar sakte hain. Disease delete karo. Gene copy karo. Kahin aur paste karo. Ye technology already exist karti hai. Aur ye sab kuch badalne wali hai.

Hum ab DNA ko Word document ki tarah edit kar sakte hain. Disease delete karo. Gene copy karo. Kahin aur paste karo. Ye technology already exist karti hai. Aur ye sab kuch badalne wali hai. Ise CRISPR kehte hain, aur ye molecular scissors ki tarah kaam karta hai. Scientists ek guide RNA program karte hain tumhare DNA mein specific sequence dhoondhne ke liye - jaise Control-F use karke word dhoondhna. Phir Cas9 enzyme exactly usi spot pe DNA cut karta hai. Cell cut repair karne ki koshish karta hai, aur scientists jo changes chahiye wo slip kar dete hain. Humne already isse genetic blindness cure ki hai. Jo patients dekh nahi sakte the, ab dekh sakte hain. Humne mosquitoes create kiye jo malaria carry nahi kar sakte. Humne pigs banaye jinke organs humans mein transplant ho sakte hain. Lekin yahan wild ho jata hai. 2018 mein, China mein ek scientist ne human embryos edit kiye jo HIV resistant hon. Wo children aaj alive hain edited DNA ke saath jo wo apne children ko pass karenge. Humne ek line cross ki jo humanity ne kabhi nahi ki thi. Hum ab apni khud ki evolution edit kar rahe hain. Same tool jo genetic diseases eliminate kar sakta hai, babies design karne ke liye bhi use ho sakta hai - unki height, intelligence, athleticism choose karo. Ethics terrifying hain. Potential limitless hai. 3.8 billion years tak, DNA ne humein control kiya. Ab, Earth pe life ki history mein pehli baar, hum use control kar rahe hain.

01
Computer screen showing Word document with DNA code, cursor highlighting and deleting text, then DNA helix visualization with same edit happening simultaneously
02
Molecular animation of CRISPR-Cas9 system: guide RNA scanning along DNA strand like searchlight, finding match, Cas9 protein approaching like molecular machine
03
Dramatic cut moment - Cas9 scissors cutting DNA precisely, strands separating, new genetic code being inserted, repair process visualized with glowing particles
04
Documentary-style footage of blind patient seeing for first time after gene therapy, emotional reaction, then visualization of corrected gene in their cells
05
Split screen showing possibilities and concerns: healthy baby on one side, designer baby selection screen on other, ethical tension visualization
06
Timeline visualization: 3.8 billion years of DNA controlling life, then dramatic shift at present day, human hand reaching out to edit DNA strand, powerful reversal