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.)
