A edição do gene CRISPR explicou: o que é e como funciona?

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Tudo o que você precisa saber sobre a descoberta da edição de genes que um dia poderá curar doenças, erradicar espécies e construir bebês projetados.

Estamos no meio de uma revolução na edição de genes.

Por quatro décadas, os cientistas mexeram em nossos genes. Desde a década de 1970, eles os ligaram e desligaram experimentalmente, descobrindo suas funções; mapearam sua localização em nosso genoma; e até mesmo inseridos ou deletados em animais, plantas e seres humanos.

Estamos no meio de uma revolução na edição de genes.

Por quatro décadas, os cientistas mexeram em nossos genes. Desde a década de 1970, eles os ligaram e desligaram experimentalmente, descobrindo suas funções; mapearam sua localização em nosso genoma; e até mesmo inseridos ou deletados em animais, plantas e seres humanos.

E em novembro de 2018, um cientista chinês afirmou ter criado os primeiros seres humanos geneticamente modificados do mundo.

Embora os cientistas tenham feito grandes avanços na compreensão da genética humana, editar nossos genes continua sendo um processo complexo que requer tecnologia imprecisa e cara, anos de experiência e apenas um pouco de sorte também.

Em 2012, um par de cientistas desenvolveu uma nova ferramenta para modificar genes, remodelando todo o campo da edição de genes para sempre: CRISPR. Freqüentemente descrito como “uma tesoura molecular”, o CRISPR é amplamente considerado a maneira mais precisa, econômica e rápida de editar genes. Suas aplicações potenciais são de longo alcance, afetando a conservação, a agricultura, o desenvolvimento de medicamentos e como podemos combater as doenças genéticas. Pode até alterar todo o pool genético de uma espécie.

O campo de pesquisa do CRISPR ainda é extremamente jovem, mas já vimos como ele pode ser usado para combater a infecção por HIV, combater espécies invasivas e destruir bactérias resistentes a antibióticos. Muitas incógnitas permanecem, no entanto, incluindo como o CRISPR pode danificar o DNA, levando a patologias como o câncer.

Esse salto monumental na engenharia genética está cheio de complexidades que levantam grandes questões, muitas vezes filosóficas, sobre ciência, ética, como conduzimos pesquisas e o futuro da própria humanidade. Com a confirmação de que dois embriões humanos foram modificados com o CRISPR e levados a termo, essas questões entraram em foco. O futuro da edição de genes aparentemente chegou durante a noite.

Mas o que exatamente é CRISPR e quais são as preocupações pendentes sobre uma ferramenta tão poderosa?

Vamos quebrar tudo.

Poucos previram o quão importante o CRISPR se tornaria para a edição de genes após sua descoberta há 30 anos.

Já em 1987, pesquisadores da Universidade de Osaka que estudavam a função dos genes de Escherichia coli notaram pela primeira vez um conjunto de sequências de DNA curtas e repetidas, mas não entenderam o significado.

Seis anos depois, outro microbiologista, Francisco Mojica, notou as sequências em um organismo unicelular diferente, Haloferax mediterranei. As sequências continuaram aparecendo em outros micróbios e, em 2002, as estruturas incomuns de DNA receberam um nome: Clustered regularmente intercaladas curtas repetições palindrômicas.

CRISPR.

O estudo mais intensivo das sequências revelou que o CRISPR é parte integrante do “sistema imunológico” das bactérias, permitindo-lhes combater os vírus invasores. Quando um vírus entra na bactéria, ele reage cortando o DNA do vírus. Isso mata o vírus e a bactéria armazena parte do DNA remanescente.

O DNA restante é como uma impressão digital, armazenado no banco de dados CRISPR. Se invadida novamente, a bactéria produz uma enzima chamada Cas9 que atua como um scanner de impressão digital. O Cas9 usa o banco de dados CRISPR para comparar as impressões digitais armazenadas com as do novo invasor. Se encontrar uma correspondência, Cas9 é capaz de cortar o DNA invasor.

A natureza geralmente fornece ótimos modelos para avanços tecnológicos. Por exemplo, o nariz de um trem-bala japonês é modelado no bico do guarda-rios porque este é habilmente “projetado” pela evolução para minimizar o ruído quando o pássaro mergulha em um riacho para pegar peixes.

De forma semelhante, a capacidade do CRISPR / Cas9 de localizar com eficiência sequências genéticas específicas e cortá-las inspirou uma equipe de cientistas a perguntar se essa capacidade poderia ser imitada para outros fins.

A resposta mudaria a edição de genes para sempre.

Em 2012, os cientistas pioneiros Jennifer Doudna, da UC Berkeley, e Emmanuelle Charpentier, da Universidade Umea na Suécia, mostraram que o CRISPR poderia ser sequestrado e modificado. Essencialmente, eles transformaram o CRISPR de um mecanismo de defesa bacteriana em um míssil buscador de DNA preso a uma tesoura molecular. Seu sistema CRISPR modificado funcionou maravilhosamente bem, encontrando e eliminando qualquer gene que escolhessem.

Vários grupos de pesquisa acompanharam o trabalho original, mostrando que o processo era possível em leveduras e células de camundongos e humanas em cultura.

As comportas se abriram e as pesquisas do CRISPR, que há muito eram domínio dos microbiologistas moleculares, dispararam. O número de artigos que fazem referência ao CRISPR na revista de pesquisa proeminente Nature aumentou em mais de 6.000 por cento entre 2012 e 2018.

Enquanto outras ferramentas de edição de genes ainda estão em uso, o CRISPR oferece um salto gigantesco devido à sua precisão e confiabilidade. É muito bom encontrar genes e fazer cortes precisos. Isso permite que os genes sejam eliminados com facilidade, mas também oferece uma oportunidade de inserir novos genes na lacuna. Ferramentas anteriores de edição de genes também podiam fazer isso, mas não com a facilidade que o CRISPR pode.

Outra grande vantagem do CRISPR sobre as técnicas alternativas de edição de genes é o custo. Embora as técnicas anteriores possam custar ao laboratório mais de US $ 500 para editar um único gene, um kit CRISPR pode fazer a mesma coisa por menos de US $ 100.

O sistema CRISPR / Cas9 foi adaptado para permitir a edição de genes em organismos, incluindo leveduras, fungos, arroz, tabaco, peixe-zebra, ratos, cães, coelhos, sapos, macacos, mosquitos e, claro, humanos – portanto, suas aplicações potenciais são enormes .

Para os cientistas pesquisadores, o CRISPR é uma ferramenta que fornece ajustes melhores e mais rápidos com os genes, permitindo-lhes criar modelos de doenças em linhas celulares humanas e modelos de camundongos com proficiência muito maior. Com melhores modelos de, digamos, câncer, os pesquisadores são capazes de compreender totalmente a patologia e como ela se desenvolve, e isso pode levar a melhores opções de tratamento.

Um salto particular nas opções de terapia do câncer é a modificação genética das células T, um tipo de glóbulo branco que é essencial para o sistema imunológico humano. Um ensaio clínico chinês extraiu células T de pacientes, usou o CRISPR para excluir um gene que geralmente atua como um freio do sistema imunológico e, em seguida, reintroduziu-as nos pacientes em um esforço para combater o câncer de pulmão. E esse é apenas um dos muitos testes em andamento usando células editadas pelo CRISPR para combater tipos específicos de câncer.

Além do câncer, o CRISPR tem potencial para tratar doenças causadas por uma mutação em um único gene, como a anemia falciforme ou a distrofia muscular de Duchenne. A correção de um gene defeituoso é conhecida como terapia gênica e a CRISPR é potencialmente a forma mais poderosa de realizá-la. Usando modelos de camundongos, os pesquisadores demonstraram a eficácia de tais tratamentos, mas as terapias genéticas humanas usando CRISPR permanecem não testadas.

Depois, há os drives genéticos CRISPR, que usam o CRISPR para garantir que uma característica genética seja passada dos pais para os filhos – essencialmente reescrevendo as regras de herança. Garantir que certos genes se espalhem por uma população oferece uma oportunidade sem precedentes para combater doenças transmitidas por mosquitos, como a malária, permitindo aos cientistas criar mosquitos inférteis em laboratório e soltá-los na natureza para destruir a população – ou mesmo tornar uma espécie extinta. A publicou um extenso relatório sobre o uso proposto e as preocupações éticas que os cercam em fevereiro de 2019.

E os benefícios potenciais do CRISPR não param por aí. A ferramenta abre novas maneiras de criar antimicrobianos para combater os níveis crescentes de resistência a antibióticos, manipulação direcionada de safras agrícolas como o trigo para torná-las mais resistentes ou mais nutritivas e, potencialmente, a capacidade de projetar seres humanos, gene por gene.

O CRISPR pode ser a maneira mais precisa de cortar o DNA que já descobrimos, mas nem sempre é perfeito.

Uma das principais barreiras para fazer o CRISPR funcionar efetivamente em humanos é o risco de “efeitos fora do alvo”. Quando o CRISPR tem a tarefa de caçar um gene, às vezes ele encontra genes que se parecem muito com seu alvo e os corta também.

Um corte não intencional pode causar mutações em outros genes, levando a patologias como o câncer, ou pode não ter nenhum efeito – mas com a segurança uma das principais preocupações, os cientistas precisarão garantir que o CRISPR atue apenas no gene que pretende impactar. Este trabalho já foi iniciado e várias equipes de pesquisadores já mexeram no CRISPR / Cas9 para aumentar sua especificidade.

Até o momento, o trabalho do CRISPR em humanos está confinado a células que não transmitem seu genoma para a próxima geração. Mas a edição de genes também pode ser usada para editar embriões e, assim, alterar o pool genético humano. Em 2015, um painel de especialistas de cientistas do CRISPR sugeriu que essa edição – conhecida como edição de linha germinativa – seria irresponsável até que se pudesse chegar a um consenso sobre segurança, eficácia, regulamentação e preocupações sociais.

Ainda assim, a pesquisa sobre a edição da linha germinativa vem ocorrendo há vários anos. Em 2017, cientistas no Reino Unido editaram embriões humanos pela primeira vez, e pesquisadores nos Estados Unidos usaram o CRISPR para corrigir um gene defeituoso que causa doenças cardíacas. A capacidade de editar embriões começa a levantar questões éticas sobre os chamados bebês projetados, em que os cientistas podem selecionar genes benéficos para aumentar a aptidão física, inteligência ou força muscular, rastejando nas águas controversas da eugenia.

Esse futuro específico provavelmente está muito distante – mas a era da edição do genoma humano já começou.

Em 25 de novembro de 2018, o cientista chinês Jiankui He disse que havia criado os primeiros bebês CRISPR do mundo. Usando o CRISPR, ele foi capaz de deletar um gene conhecido como CCR5. Os embriões modificados resultaram no nascimento de meninas gêmeas, conhecidas pelos pseudônimos Lulu e Nana.

A comunidade científica condenou amplamente a pesquisa, criticando a falta de transparência de He e perguntando se havia uma necessidade médica não atendida para que as duas meninas recebessem tal modificação. Na esteira da pesquisa, vários pesquisadores importantes envolvidos com a criação do CRISPR até sugeriram uma moratória global sobre o uso da ferramenta para edição de linha germinativa.

Poucos argumentariam que o trabalho de He destaca a necessidade de controles regulatórios mais rígidos e supervisão eficaz dos ensaios clínicos em que os embriões são editados. Enquanto ele afirma que seu próprio experimento estava preocupado em melhorar a saúde das meninas gêmeas, tornando-as resistentes ao HIV, o experimento foi considerado imprudente e eticamente errado e as consequências potenciais ignoradas. Pesquisas recentes sugerem que a deleção que ele criou no gene CCR5 pode afetar a atividade cerebral, depois que um estudo em ratos mostrou que o bloqueio do CC5 melhora a cognição e a recuperação do derrame.

Em janeiro de 2019, o governo chinês disse que Ele agiu de forma ilegal e antiética e enfrentaria acusações. Mais tarde, ele foi demitido por sua universidade.

A mais recente Cúpula Internacional para a Edição do Genoma Humano, em novembro de 2018, concluiu, como fez em 2015, “o entendimento científico e os requisitos técnicos para a prática clínica permanecem muito incertos e os riscos muito grandes para permitir os ensaios clínicos de edição de linha germinativa na época . “

Seu trabalho, que permanece inédito, anuncia o primeiro ensaio clínico e o nascimento de seres humanos geneticamente modificados – o que significa, intencionalmente ou não, uma nova era para o CRISPR.

À medida que a revolução avança, os maiores desafios continuarão a ser a supervisão e regulamentação eficazes da tecnologia, os obstáculos técnicos que a ciência deve superar para garantir que seja precisa e segura e o gerenciamento das maiores preocupações da sociedade de mexer com as coisas que nos fazem nos.

O CRISPR continua a ganhar as manchetes à medida que os cientistas refinam sua especificidade e o direcionam para uma miríade de doenças genéticas. Em 4 de fevereiro, pesquisadores da UC Berkeley, incluindo a pioneira do CRISPR Jennifer Douda, revelaram que outra enzima, CasX, poderia ser usada para editar genes no lugar de Cas9.

Os cientistas identificaram o CasX em uma bactéria terrestre que normalmente não está presente em humanos, o que significa que nosso sistema imunológico tem menos probabilidade de se rebelar contra ela. Por ser menor e potencialmente mais específico do que o Cas9, ele pode cortar genes com maior sucesso e menos chance de quaisquer efeitos negativos.

Então, em 18 de fevereiro, cientistas da UC San Francisco revelaram que usaram o CRISPR para tornar as células-tronco “invisíveis” para o sistema imunológico. As células-tronco são capazes de amadurecer em células adultas de qualquer tecido, por isso foram propostas como uma forma de reparar órgãos danificados. No entanto, o sistema imunológico normalmente tenta aniquilar qualquer invasor estrangeiro e as células-tronco são vistas como tal. O CRISPR permitiu que as células-tronco escapassem do sistema imunológico para que pudessem trabalhar na cura.

Apenas um dia depois, pesquisadores do Salk Institute for Biological Sciences publicaram na Nature Medicine suas descobertas sobre uma terapia CRISPR para a progéria de Hutchinson-Gilford, uma doença associada ao envelhecimento rápido. A doença é causada por uma mutação genética que resulta no acúmulo de proteínas anormais, levando à morte celular prematura. Uma única dose de CRISPR / Cas9 demonstrou suprimir a doença em um modelo de camundongo, abrindo caminho para uma maior exploração do potencial terapêutico do CRISPR.

E ainda mais histórias de sucesso do CRISPR continuam a acontecer. Em 25 de fevereiro, a CRISPR Therapeutics, uma empresa cofundada pela visionária Emmanuelle Charpentier do CRISPR, anunciou que os primeiros pacientes humanos haviam recebido uma infusão de um medicamento CRISPR / Cas9 para tratar a doença beta -talassemia. A doença é causada por uma mutação genética que faz com que os glóbulos vermelhos sejam incapazes de criar a molécula de transporte de oxigênio hemoglobina. Para combater isso, a equipe CRISPR Therapeutics pega células-tronco de um paciente, edita-as com CRISPR / Cas9 fora do corpo para aumentar a produção de hemoglobina e, em seguida, as transfunde de volta para a corrente sanguínea. A empresa planeja usar uma abordagem semelhante para tratar a doença do sangue conhecida como anemia falciforme.

A pesquisa do CRISPR está avançando em um ritmo rápido e pode ser difícil acompanhá-la. Em apenas sete anos, o CRISPR passou de uma adaptação evolutiva em bactérias a uma ferramenta de edição de genes que criou os primeiros seres humanos geneticamente modificados. Já vimos o CRISPR transformar todo o campo da biologia molecular e esse efeito se espalhou pelos campos biológico e médico.

Publicado pela primeira vez em 23 de janeiro de 2019. Atualização em 28 de fevereiro às 5h PT: Adiciona seção de avanços recentes

As informações contidas neste artigo são apenas para fins educacionais e informativos e não têm como objetivo aconselhamento médico ou de saúde. Sempre consulte um médico ou outro profissional de saúde qualificado a respeito de qualquer dúvida que possa ter sobre uma condição médica ou objetivos de saúde.

#Saúdeebemestar

Allan Siriani

Curioso e apaixonado por tecnologia, professor do curso superior de BigData no agronegócio.

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