Na tohle téma by se bez nadsázky dala napsat kniha, takže se v této odpovědi zaměříme jen na stručné vysvětlení této metody.

Celý tento systém byl objeven v bakteriích [1, 2]. Bakterie (a archea, dohromady se jim říká prokaryota neboli česky organismy bez buněčného jádra) mají vlastní viry, které je napadají, tzv. bakteriofágy. Všude kolem nás neustále zuří nekonečná bitva, probíhající již po miliardy let, ve které denně zahynou naprosto astronomické počty prokaryot [3]. Bakterie ale nejsou jen bezbrannými oběťmi, mají sofistikované metody, jak se bránit, a CRISPR-Cas je jednou z nich. Jde vlastně o buněčný imunitní systém. Zjednodušeně řečeno se jedná o zbytky virové DNA, které si bakterie uloží do vlastního genomu, a tím si konkrétní virus zapamatují. Tyto zbytky nejsou pro buňky nebezpečné, ale umožňují jim rozpoznat tyto sekvence, a tedy viry v budoucnu.

Pro pochopení se můžeme podívat, co znamená samotná zkratka CRISPR. Vznikla z anglického „Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats“. To zřejmě běžnému smrtelníkovi moc neřekne, podívejme se tedy na jednotlivé části:

repeats – opakující se sekvence DNA;
palindromic – čtou se stejně zepředu i zezadu (jako např. „jelenovi pivo nelej“);
short – jde o krátké úseky DNA;
regularly interspaced – tyto krátké úseky jsou rovnoměrně seřazené a stejně daleko od sebe (jako příčky na žebříku);
clustered – celé tyto úseky se nachází nahromaděné na jednom místě genomu.

Cas (CRISPR-associated protein) je skupina proteinů, které jsou důležité pro správnou funkci tohoto systému. Cas9 je dnes asi nejznámější, protože se dá snadno využít v laboratorní praxi. Cas9 je tzv. nukleáza, tedy enzym štěpící nukleové kyseliny, jako je DNA (ve které je zapsána genetická informace). Tato nukleáza dostane kousek virové genetické informace ve formě tzv. guide RNA (gRNA, naváděcí RNA), která pak funguje jako vzor. Pokud tato nukleáza později narazí na genetickou informaci (např. virového původu), ke které se její vzor váže, rozstříhá jí na kusy. Tím dojde k efektivnímu zničení viru, protože bez genetické informace v celku se nedokáže dál množit.

Obrázek 1. Schéma CRISPR-Cas9 systému. Vytvořeno v Biorender.com.

No a to je vlastně všechno. Tento systém byl objeven poměrně dávno (1987) [4], nicméně až v roce 2012 byl publikován výzkum, který naprosto změnil moderní biologický výzkum a udělal z CRISPR superstar (a následovala i Nobelova cena za chemii v roce 2020) [2, 5]. Vědkyně a vědci (mj. i Čech Martin Jínek [6]) totiž přišli na to, že prvky tohoto systému se dají poměrně snadno ochočit a používat v laboratoři k manipulaci s DNA. To bylo možné i předtím, nicméně šlo o metody složité, drahé a méně přesné. CRISPR, také přezdívaný jako „genetické nůžky“, nám umožňuje velmi efektivně měnit DNA – přidávat sekvence, odebírat je, obracet jednotlivé úseky, blokovat zpracování DNA a další.

Dnes, něco málo přes deset let od tohoto objevu, je v biologickém výzkumu tato metoda všudypřítomná. Velmi častým příkladem využití ve výzkumu je studium funkce proteinů v organismech, kde CRISPR-Cas systém rozštěpí konkrétní část DNA, což pak vede k přerušení produkce vybraného proteinu. K tomu nám stačí navrhnout gRNA specifickou pro gen kódující náš protein a dostat ji spolu s Cas9 do buňky. Dohromady pak rozštěpí DNA v místě, kam se váže gRNA, a buňka, když se snaží DNA opravit, většinou udělá nějakou chybu a tím vyřadí gen z funkce. Buňka pak není schopná daný protein vyrobit a jeho funkce bude někde chybět. My pak sledujeme změny, které v buňce nebo organismu nastanou a na jejichž základě pak můžeme odvodit funkci daného proteinu.

Konkrétním příkladem využití CRISPRu v praxi je boj s malárií – v tomto výzkumu se vědkyním a vědcům podařilo identifikovat a následně narušit geny důležité pro plodnost komářích samic rodu Anopheles, které jsou odpovědné za přenos malárie. Tento objev může výrazně pomoci v regulaci populací těchto komárů [7].

V současnosti také existuje snaha využít CRISPR pro genovou terapii, tedy měnit genetickou informaci živých organismů nebo jejich částí. Existuje mnoho genetických poruch, které lze teoreticky řešit malou změnou genetické informace – i jedno písmeno z tří miliard v lidském genomu může zásadně pomoci. Výzkum v této oblasti probíhá, nicméně zatím žádné zázraky na počkání nečekejte. V současnosti se provádí experimenty na buněčných kulturách a na zvířatech, kde už narážíme na jistá omezení. Jedním omezením je např. chybovost CRISPRu. Obzvláště v organismech s velkými genomy může totiž docházet k chybnému zacílení CRISPRu na více míst DNA, což následně vede k nežádoucím mutacím a efektům. Výzkum CRISPRu tedy zahrnuje i snižování jeho chybovosti, protože jak lidé, tak různé hojně pěstované zemědělské plodiny mají genomy velké. Jistě si dokážete představit, že nasazení CRISPRu v humánní medicíně vyžaduje vyřešení mnoha dalších technických a etických problémů.

Etickou diskuzi na toto téma dostal do povědomí širší veřejnosti případ čínského lékaře, který v roce 2018 bez vědomí etické komise udělal velmi špatně naplánovaný experiment (obešli etickou komisi, která normálně dohlíží na takové experimenty, zanedbali možnost nežádoucích účinků, neprobírali podrobnosti ani s pacienty ani s vědeckou komunitou a zanedbali některé běžné experimentální kontrolní postupy ) na lidských embryích, která posléze implantoval dvěma ženám. Tato embrya měla nést rezistenci vůči HIV. Jedna z nich úspěšně donosila a porodila první geneticky upravené děti na světě [8]. Tyto děti zdánlivě žijí normálním životem, dlouhodobé následky je však složité odhadnout [9]. Lékař si za tento svůj čin odseděl tři roky ve vězení. Genetická editace embryí má v budoucnu své vědecké opodstatnění (např. v léčbě dědičných chorob), nicméně minimálně v roce 2018 nebyl výzkum dost pokročilý na to, abychom si mohli být jisti přesností takového pokusu a kvalitou života bez následků pro takto narozené děti [10].

Naopak příkladem úspěšného použití CRISPRu v genetické terapii je případ klinické studie pacientů trpících srpkovitou anémií [11, 12]. Srpkovitá anémie je dědičná nemoc, která se projevuje defektními červenými krvinkami charakteristickými svým srpkovitým tvarem. Červené krvinky obsahují hemoglobin – protein, který je odpovědný za vazbu a přenos kyslíku. V srpkovitých krvinkách má však tento hemoglobin mutaci, která způsobuje nízkou elasticitu červených krvinek potřebnou pro průchod tenkými kapilárami. Tato nízká elasticita vede k typickému srpkovitému tvaru a zapříčiní krátkou životnost těchto krvinek. Dále se srpkovité krvinky k sobě umí nalepit a ucpat tak cévy. Tyto a další následky srpkovitosti vedou k různým komplikacím jako chudokrevnost, bolesti, otoky. Narušení proudění krve v různých tkáních může pak být až život ohrožující [13, 14]. Vědkyním a vědcům se podařilo pomocí CRISPRu úspěšně navýšit produkci tzv. fetálního (plodového) hemoglobinu, který je přítomen hlavně v embryích a novorozeňatech (v pozdějším věku je postupně nahrazen dospělým hemoglobinem). Fetální hemoglobin v pacientech se srpkovitou anémií není postižen mutací jako „dospělý“ hemoglobin a může tak nahradit funkci vadného dospělého hemoglobinu. K vymizení potíží spojených s touto nemocí došlo u všech 31 pacientů [15]. Nevýhodami tohoto přístupu jsou jeho vysoká finanční náročnost (ta je ale pravděpodobně menší než u alternativ a vychází primárně z těch medicínských částí, jako je odběr kostní dřeně) a také komplikovaný způsob léčby – pacientům byla odebrána kostní dřeň, která červené krvinky vyrábí, a po aplikaci CRISPRu byla pacientům jejich vlastní kostní dřeň vrácena [15]. Alternativou je však transplantace kostní dřeně, která probíhá pro pacienta stejně, ale s nejistým výsledkem, protože může dojít k odmítnutí darované kostní dřeně. I tak ale tento případ poskytuje náhled na budoucí možnosti genových terapií s pomocí CRISPRu, které se s postupujícím poznáním budou zdokonalovat a snad také zlevňovat, aby byly dostupné všem, kteří to potřebují.

Pro Zeptej se vědce odpovídali Vojta a Hien