Egy új tanulmány szerint a CRISPR/Cas génszerkesztés hatásai messze túlmutathatnak a célzott módosításokon: a beavatkozás több gén működését is megzavarhatja, és ezek a változások tartósan fennmaradhatnak a sejtekben. A jelenség a DNS kettős szálának elvágása és annak hibajavítása során alakul ki.
A Science folyóiratban megjelent tanulmányt Claire Robinson és Dr. Michael Antoniou (a londoni King’s College Orvosi és Molekuláris Genetikai Tanszékének molekuláris genetika professzora) ismertették a GMWatch oldalán. Összefoglalójuk szerint a CRISPR/Cas génszerkesztés úgynevezett „kromatinfáradtságot” okozhat – egy újonnan azonosított mechanizmust, amely révén nem kívánt változások léphetnek fel a génműködésben.
A sejtek a DNS-üket egy háromdimenziós szerkezetbe (kromatinba) szervezik, amely kulcsszerepet játszik abban, hogy mely gének kapcsolódnak be vagy ki. Az új tanulmány szerzői – akik Dániában dolgoznak – azt vizsgálták, hogy a kromatin szerkezete teljes mértékben helyreáll-e a génszerkesztés során alkalmazott DNS-törés kijavítása után. A kutatók CRISPR/Cas génszerkesztést alkalmazva célzott DNS-töréseket idéztek elő (ez a génszerkesztési folyamat szükséges és általános első lépése), majd nyomon követték a genom (kromatin) szerveződésében és a génaktivitásban bekövetkező változásokat. Megállapították, hogy még a DNS kijavítása után is az érintett régiók kromatinja rendezetlen maradt, és több gén kifejeződése csökkent, ráadásul ezek a változások az utódsejtekben is fennmaradtak. A DNS-károsodás tehát tartós nyomot hagy a génkifejeződésben.
A szerzők, Susanne Bantele és munkatársai ezt a jelenséget „kromatinfáradtságnak” nevezik. Megállapításuk szerint a sejtek DNS-törésre és DNS-javításra adott válaszának egy eddig ismeretlen következményéről van szó, amely tartósan megváltoztathatja a génszerkesztett sejtek felépítését és működését. Ez nemcsak a látszólag „sikeresen” szerkesztett sejteket érintheti, hanem azok egymást követő utódsejtjeit is
Az ilyen típusú hatást, amely nem a DNS szekvenciáját változtatja meg, hanem a génkifejeződést – vagyis azt, ahogyan a genetikai információ hasznosul –, epigenetikai („a gének feletti”) hatásnak nevezzük.
A tanulmány következményei
A vizsgálatot emberi sejtekben végezték, és a szerzők kizárólag az emberi génterápia vagy kísérleti alkalmazások keretében használt génszerkesztéssel foglalkoznak. A feltárt hatások azonban nagy valószínűséggel növényekben és állatokban is előfordulhatnak. Ennek oka, hogy a növények és az állatok ugyanazokon az alapvető gén- és kromatinszerkezeti jellemzőkön, valamint a hozzájuk kapcsolódó génszabályozási folyamatokon osztoznak. A megállapítások súlyos következményekkel járnak e szervezetek biztonságossága és működése szempontjából – és így arra nézve is, hogyan kellene szabályozni őket. Például:
Génszerkesztett növények esetében a génkifejeződési mintázatok megváltozása módosult biokémiához vezethet, beleértve új toxinok és allergének megjelenését, meglévő toxinok és allergének magasabb szintjét, vagy a tápérték megváltozását.
Növényekben a génszerkesztés által okozott, nem szándékolt génkifejeződési változások a végső, forgalomba kerülő termékben is megjelenhetnek – sőt, generációkon át fennmaradhatnak, ha nem történik elegendő visszakeresztezés hagyományos növényekkel a nem kívánt változások kiszűrésére.
Génszerkesztett állatok esetében a DNS-javítást követő génkifejeződési zavarok súlyos élettani következményeket válthatnak ki, például fejlődési rendellenességeket vagy daganatos megbetegedéseket.
Növények és állatok esetében még akkor is, ha a génszerkesztés látszólag sikeres, az így létrejött szervezeteket részletes molekuláris profilvizsgálatoknak és élettani elemzéseknek kell alávetni, hogy feltárhatók legyenek a nem szándékolt és potenciálisan veszélyes következmények.
Vizsgálni kell azt is, hogy a „kromatinfáradtságként” ismert epigenetikai jelenség stabilan öröklődik-e – nemcsak az egymást követő sejtosztódások során, hanem az egész szervezet további generációiban, szaporodás útján is.
A kutatók felfedezése a génszerkesztés minden típusára vonatkozik, legyen szó SDN1-ről (génkiütés), SDN2-ről (génmódosítás javító templát beillesztésével) vagy SDN3-ról (génbeillesztés). Ennek oka, hogy mindhárom eljárás a DNS kettős szálának elvágásával kezdődik, majd a sejt saját javító mechanizmusaira támaszkodik, hogy a két elszakadt DNS-véget úgy kapcsolja össze, hogy az tartalmazza a kívánt „szerkesztést”.
Az új eredmények meggyőző bizonyítékot szolgáltatnak arra, hogy a génszerkesztett szervezetek – vagy azok egyes kategóriáinak, például az SDN1 és SDN2 típusoknak – deregulációjára irányuló törekvések félrevezetőek és felelőtlenek.
A cikkhez csak lazábban kapcsolódó megfigyelésként a szerzők felvetik, hogy a sarlósejtes vérszegénység és a béta-thalassemia kezelésére jóváhagyott CRISPR/Cas-alapú génterápiában részesült betegeket érdemes lenne transzkriptomikai elemzéssel (azaz a génkifejeződés átfogó vizsgálatával) is megvizsgálni, annak feltárására, hogy a DNS kettősszál-törésének javítása és az ebből következő kromatinfáradtság okoz-e nem szándékolt változásokat a génkifejeződésben.
Mi az újdonság ebben a tanulmányban?
Korábbi bizonyítékok már kimutatták, hogy a génszerkesztés DNS-károsodást okozhat kisebb és nagyobb törlések, beillesztések és átrendeződések formájában – beleértve a kromotripszist, azaz a kromoszómák szétesését és kaotikus újraösszekapcsolódását is – a genomban mind a célzott, mind a nem célzott helyeken. Ezek a változások nem szándékolt génműködési zavarokhoz vezethetnek, amelyeknek egészségügyi és környezeti következményei is lehetnek.
Az új tanulmány ehhez egy újabb mechanizmust ad hozzá – a kromatinfáradtságot –, amely révén a génszerkesztési folyamatok súlyos génműködési zavarokat okozhatnak: a CRISPR által kiváltott DNS-kettősszál-törés és az azt követő javítás számos gén kifejeződését súlyosan károsíthatja.
Jobbá válhat-e a génszerkesztés, és kiküszöbölhető-e ez a kockázat?
A kromatinfáradtság által jelentett további kockázatok akkor is fennmaradnak, ha a génszerkesztési technológia odáig fejlődik, hogy a módosítás pontosan célzottan történik, és a génszerkesztő eszköz nem okoz nem célzott (off-target) mutációkat (bár ez az elképzelt állapot a géntechnológia „Szent Grálja”, amelynek megvalósulása erősen kétséges). Ennek oka, hogy a kromatinfáradtság célzott (on-target) hatás: a célzott szerkesztési hely körüli kromatintartományban alakul ki, a szándékolt A kromatinfáradtság által jelentett további kockázatok akkor is fennmaradnak, ha a génszerkesztési technológia odáig fejlődik, hogy a módosítás pontosan célzottan történik, és a génszerkesztő eszköz nem okoz céltévesztő mutációkat (bár ez az elképzelt állapot a géntechnológia „Szent Grálja”, amelynek megvalósulása erősen kétséges). Ennek oka, hogy a kromatinfáradtság nem céltévesztő hatás, hanem a célzott szerkesztési helyen vagy annak közvetlen környezetében jelentkező nem kívánt hatás: a célzott szerkesztési hely körüli kromatintartományban alakul ki, a szándékolt DNS-javítás elkerülhetetlen következményeként. Éppen ezért ez a kockázat „fejlettebb” génszerkesztési technikák alkalmazásával sem küszöbölhető ki.
Miért alakul ki ez a hatás?
A kromatin úgynevezett doménekbe szerveződik, amelyek mindegyike általában több gént foglal magában. Egy kromatindomén szerkezete a génkifejeződés szempontjából lehet megengedő vagy éppen gátló. Ezért egy adott gén vagy géncsoport működését alapvetően meghatározza az a kromatinkörnyezet, amelyben elhelyezkedik. Az új tanulmány azt mutatja, hogy a génszerkesztési folyamat során (a DNS kettősszál-törése és annak javítása közben) a beavatkozás nem csupán egy vagy néhány gén működését változtatja meg, hanem sok génét egyszerre: a célzott gén vagy gének környezetében lévő kromatindomén szerkezetének megzavarása miatt. Egyes gének aktiválódhatnak, míg mások kikapcsolódhatnak.
Ebben a folyamatban szertefoszlik a precizitás és az előrejelezhetőség ígérete. Még akkor is, ha a génszerkesztés során előidézett DNS-kettősszál-törés látszólag sikeresen helyreáll, a „szerkesztés” eredményei nem kiszámíthatók.
A természetben is előfordul mindez?
A szerzők a tanulmányukban megjegyzik, hogy a DNS kettősszál-törései környezeti hatások következtében is létrejöhetnek, nemcsak génszerkesztés során – ezt azonban nem támasztják alá, és azt sem részletezik, pontosan milyen hatásokra gondolnak. Közelebbről megvizsgálva kiderül, hogy azok a környezeti hatások, amelyek ilyen típusú DNS-károsodást okozhatnak, a természetben ritkán, ha egyáltalán előfordulnak, és inkább szélsőséges, akár katasztrofális helyzetekhez köthetők. Ilyenek például a mutagén vegyi anyagoknak való kitettség, illetve az ionizáló sugárzás (például röntgensugárzás, nukleáris balesetek, vagy radioaktív elemek, mint az urán). Bár radioaktív anyagok a természetben is jelen vannak, az ezeknek való kitettség általában alacsony, és szigorú védelmi szabályozás alá esik. Hasonló a helyzet a mutagén vegyi anyagokkal is.
A Nature Education egyik cikke ismerteti az ionizáló sugárzásnak való kitettség nyomán kialakuló mutációk (DNS-károsodások) lehetséges következményeit: „Ezek [a kettős szálú DNS-törések] rendkívül károsak. Amellett, hogy gátolhatják a transzkripciót vagy a replikációt, kromoszóma-átrendeződésekhez is vezethetnek, amelyek során az egyik kromoszóma darabjai egy másik kromoszómához kapcsolódnak. Ennek során gének sérülnek, ami hibrid fehérjék kialakulásához vagy gének nem megfelelő aktiválódásához vezethet. [Állatokban, köztük az emberben] több daganatos megbetegedés is összefüggésbe hozható az ilyen átrendeződésekkel.”
A Nature Education cikke ugyanakkor azt is megjegyzi, hogy az ilyen mutációk kedvező oldala az lehet, hogy hasznos genetikai változatosság forrásai lehetnek. Döntő fontosságú azonban, hogy – mint a szerző hozzáteszi – ezek a mutációk az evolúció során a szelekció hatása alá kerülnek: vagy fennmaradnak, vagy kiszelektálódnak. Ez védi az élő szervezeteket és a környezetet attól, hogy a káros tulajdonságok széles körben elterjedjenek.
Ez az a szempont, amelyet a GMWatch is hangsúlyoz a génszerkesztés során létrejövő nem kívánt idegen DNS-beépülések, illetve a természetben esetlegesen előforduló ilyen események összevetése kapcsán. A génszerkesztett szervezeteket ugyanis sokkal nagyobb léptékben és jóval rövidebb idő alatt bocsátanák ki a környezetbe, mint ahogyan egy természetes úton létrejövő, megváltozott génkifejeződésű mutáns elterjedne. Ezért a géntechnológiával létrehozott, majd tömegesen alkalmazott génszerkesztett szervezetek – a mezőgazdaságban és az ökoszisztémákban – nem részesülnek az „evolúciós idő” által nyújtott biztonsági szűrőben.
A mutagenezises nemesítésben alkalmazott mutagének nem tekinthetők természetes környezeti hatásoknak
A mutagenezises nemesítés során a növényeket szándékosan teszik ki mutagén vegyi anyagoknak vagy radioaktív sugárforrásoknak. Ez nem természetes folyamat: kifejezetten arra irányul, hogy nagyszámú mutációt idézzen elő, beleértve a DNS kettősszál-töréseit is. Az eredmény – ahogy azt bármely ezzel foglalkozó tankönyv is leírja – a torz, terméketlen vagy életképtelen növények tömeges megjelenése. Ha a nemesítő szerencsés, ezek közül esetleg egy-két véletlenszerű mutáció hasznosnak bizonyul, és további nemesítésre felhasználható.
A mutagenezises nemesítés ritka „sikertörténetei” közé tartozik például az árpa törpenövésű változata. Összességében azonban ez a módszer nem bizonyult különösebben hatékonynak hasznos növényi tulajdonságok előállításában. Ennek megfelelően az 1990-es évektől kezdve alkalmazása drasztikusan visszaszorult, mára pedig elhanyagolható szintre csökkent.
Röviden: jól dokumentált, hogy a mutagenezises nemesítésnek alávetett növényeknél szélsőséges rendellenességek tömegesen fordulnak elő. Ezzel szemben a hagyományos nemesítés és a természetes szaporodás során az ilyen mértékű eltérések ritkák. Ha ez nem így lenne, a növény- és állattenyésztők sem tudnák hatékonyan végezni a munkájukat.
Ezért nem feltételezhetjük, hogy a génszerkesztés során rutinszerűen előidézett DNS-kettősszál-törések és az ezek nyomán kialakuló kromatinfáradtság ugyanolyan módon létrejöhet a hagyományos nemesítés során, pusztán a szokásos környezeti hatások következtében. Ezt a következtetést tudományos eredmények is alátámasztják: a lektorált szakirodalom szerint a génszerkesztés 1000–10 000-szer erősebb mutagén hatással bír, mint a kémiai vagy sugárzásos mutagenezis, amelyek viszont nagyságrendekkel erősebbek, mint a természetes szaporodás során fellépő változások.
Mindezeket figyelembe véve egyértelműnek tűnik, hogy a DNS kettősszál-törései nyomán kialakuló kromatinfáradtság a hagyományos nemesítés során korántsem fordul elő olyan gyakorisággal, mint a génszerkesztés esetében – ha egyáltalán előfordul normál környezeti feltételek mellett. Ezért a kromatinfáradtság csupán a legújabb azon nem szándékolt hatások sorában, amelyek a génszerkesztett szervezetek kockázati profilját messze a hagyományos nemesítéssel előállított szervezetek fölé emelik.
Figyelmeztetés a dereguláció hívei számára
A tanulmány eredményei egyértelmű figyelmeztetésként szolgálnak mindazok számára – GMO-fejlesztők, politikai döntéshozók és szabályozó hatóságok –, akik úgy vélik, hogy az SDN1 típusú génszerkesztés mindössze egyetlen gén megváltoztatását jelenti. A valóságban azonban egyetlen gén „szerkesztése” is számos gén működésének megzavarásához vezethet, és ezek a hatások reálisan megjelenhetnek a végül forgalomba kerülő génszerkesztett növényekben vagy állatokban is.
Amikor a kritikusok erre rámutatnak, a gémódosított növényeket fejlesztő vállalatok gyakran azzal érvelnek, hogy a további nemesítéshez csak azokat a növényeket választják ki, amelyek a kívánt, kisebb génmódosításokat hordozzák. Az új eredmények azonban azt mutatják, hogy ezek a kívánt módosítások – bármilyen kicsik és bármilyen pontosan célzottak is – nagy léptékű, nem szándékolt kromatinzavarokkal járhatnak együtt, amelyek számos gén működését befolyásolják. Ráadásul ezek a nem kívánt hatások akár az utódgenerációkban is fennmaradhatnak – ennek lehetőségét további vizsgálatokkal kell tisztázni.
Az eredmények alapjaiban kérdőjelezik meg az Európai Bizottság azon javaslatát, amely szerint a génszerkesztett növényeket mentesíteni lehetne a kockázatértékelés és a jelölés alól, ha kevesebb mint 20 genetikai módosításban térnek el a kiinduló növénytől. Még ha a szándékolt változtatások száma kevesebb is 20-nál, a génkifejeződésben bekövetkező változások kiterjedtek lehetnek, és potenciálisan kockázatot jelenthetnek.
A tanulmány továbbá újabb súlyos kérdéseket vet fel az Egyesült Királyság úgynevezett „precíziós nemesítés jogszabályával” kapcsolatban is, amely kivenné az engedélyezési körből azokat a génszerkesztett növényeket és állatokat, amelyek elméletileg „hagyományos folyamatokkal” – vagyis konvencionális nemesítéssel – is létrejöhetnének. Ahogyan fentebb is láttuk, még ha a kromatinfáradtság a természetben elő is fordulna, annak hatásai az evolúciós szelekció során kiszűrődnek vagy fennmaradnak. Ez a „precíziós nemesítés” keretében létrehozott GMO-k esetében nem érvényesül.
Furcamód az új tanulmány több szerzője a Novo Nordisk Foundation Center for Protein Research munkatársa. A génmódosítás orvosi alkalmazásaira összpontosító Novo Nordisk vállalat és a Novo Nordisk Alapítvány a „Novo-család” nevű csoport részei, amely aktívan lobbizik a GMO-k deregulációjáért. Azt javasoljuk, hogy a lobbisták olvassák el, és vegyék komolyan saját kutatóik új eredményeit.
Ha nem keresed, nem találod meg
Ha egy génszerkesztett növény elfogadhatónak tűnik, és – ahogy ez általában történik – a fejlesztő nem végzi el azokat a mélyreható vizsgálatokat, amelyek feltárhatnák a génkifejeződés zavarait, akkor a rejtett problémák észrevétlenek maradhatnak – például azok, amelyek a növény élelmiszerbiztonsági vagy környezeti hatásait érintik. Ezek a problémák így a végül forgalomba kerülő termékben is jelen maradhatnak.
Ha mégis észlelnek problémákat, megpróbálhatják azokat egymást követő visszakeresztezésekkel eltávolítani hagyományos növényekkel. Ez az eljárás azonban költséges, időigényes és számos nehézséggel jár, mivel fennáll a veszélye annak is, hogy a kívánt tulajdonságok is elvesznek. Ennek következtében a „genomtisztítás” visszakeresztezéssel általában nem történik meg kellő alapossággal.
Mi lenne a következő lépés?
A tanulmány tovább erősíti annak szükségességét – amelyet a GMWatch és számos tudós már régóta hangsúlyoz –, hogy minden génszerkesztett szervezet esetében a forgalomba hozatal előtt több omikai szintet átfogó, részletes molekuláris vizsgálatokat (multi-omikai elemzéseket) végezzenek. Az eredményeket a kockázatértékelés részeként a szabályozó hatóságok számára is be kell nyújtani.
A transzkriptomikai vizsgálatok feltárhatják a génszerkesztés következtében kialakuló, nem várt génkifejeződési változásokat; a proteomikai elemzések a fehérjeösszetétel változásait mutatják meg; míg a metabolomikai vizsgálatok az anyagcsere (biokémiai folyamatok) módosulásait tárják fel. Ez utóbbi két módszer különösen fontos annak kimutatására, hogy keletkeztek-e új toxinok vagy allergének, illetve megváltozott-e a meglévő toxikus vagy allergén anyagok szintje a génszerkesztés következtében.
Az, hogy a legtöbb GMO-fejlesztő nem végzi el ezeket a vizsgálatokat – sőt, sokszor vonakodik is tőlük –, és hogy a szabályozó hatóságok sem követelik meg azokat, magyarázatot adhat arra, miért jellemzi az új génszerkesztett GMO-k eddigi történetét az, hogy a laboratóriumok és üvegházak ellenőrzött körülményei között még ígéretesnek tűnnek, később azonban kudarcot vallanak a szántóföldön és a piacon. A génszerkesztett termékek fejlesztői saját kárukra hagyják figyelmen kívül azokat a tudományos eredményeket, amelyek a nem szándékolt, nagyléptékű genetikai károsodások és a génműködés megváltozott mintázatainak egyre bővülő körét tárják fel. Ezek ugyanis nemcsak a növények és állatok teljesítményét ronthatják, hanem az egészséget és a környezetet is veszélyeztethetik.
Az itt ismertetett tanulmány:
Bantele S et al (2025). Repair of DNA double-strand breaks leaves heritable impairment to genome function. Science 390(6773). DOI: 10.1126/science.adk6662 https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.adk6662
A Science oldalán elérhető változat fizetős, de a preprint
változat itt
olvasható:
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.08.29.555258v2
(Ezt a blogbejegyzést a Fenntarthatóság Felé Egyesület készítette az Agrárminisztérium támogatásával.)














