Sådan fungerer genterapi

Kan du huske Charlie Gordon? Han var stjernen i "Flowers for Algernon", en anerkendt roman (og senere Oscar-vindende film) skrevet af Daniel Keyes i 1966.

Gordon var en 32-årig psykisk handicappet mand, hvis handicap kunne spores til et ubehandlet tilfælde af phenylketonuri ( PKU ), en sygdom, der skyldes tab af et gen. Dette gen koder for et enzym, der metaboliserer aminosyren phenylalanin . Hvis mennesker med PKU spiser mad, der indeholder phenylalanin, forbindelsen og dens biprodukter ophobes i deres blod og bliver giftige, forårsager hjerneskade, tab af pigmentering, anfald og en lang række andre problemer.

I fiktionens verden, Gordon overvinder til sidst den arvelige sygdom ved at gennemgå en eksperimentel operation for at øge hans intelligens. I virkeligheden, mennesker født med tilstanden har en meget anderledes oplevelse, men kun fordi de følger en streng proteinfattig kost for at undgå fødevarer, der indeholder phenylalanin, såsom kød af enhver art, mejeriprodukter, nødder, bønner, tofu og det kunstige sødemiddel aspartam.

Den ideelle løsning kan ligge et sted mellem farlige hjerneoperationer og strenge kostrestriktioner. Faktisk, den ideelle løsning kan være at udskifte det manglende gen, så mennesker med PKU kan nyde højt proteinindhold så meget som mennesker uden det. Takket være fremskridt inden for genterapi - tilføjelse af nye gener til en persons celler for at erstatte manglende eller funktionsdygtige gener- denne tilsyneladende umulige drøm kan snart blive en realitet.

Genterapi er kommet langt siden 1990'ernes mørke dage, da den meget varslede behandling førte til flere patienters død. Forskere har lært meget i de sidste to årtier, måske den vigtigste af dem er dette:Genterapi er let at beskrive på papir, men meget sværere at implementere i menneskelige celler. Heldigvis for os, disse bestemte forskere har fortsat arbejdet med puslespillet indtil, endelig, genterapi står klar til at revolutionere moderne medicin.

På de næste par sider, vi tager et lynkursus i genterapi - hvordan det fungerer, hvad det kan behandle, hvorfor det er svært, og hvornår det kan være tilgængeligt på din lokale klinik. Inden vi kommer i gang med genterapien, lad os tage et par forberedende omgange for at gennemgå det grundlæggende ved DNA -funktion og genekspression.

1. En gen, Et protein:Det grundlæggende i genterapi
2. Virus som genterapivektorer
3. Genterapi uden for kroppen
4. Genterapi i kroppen
5. Genterapisikkerhed
6. Sygdomme behandlet med genterapier

En gen, Et protein:Det grundlæggende i genterapi

At forstå denne medicinske behandling kræver et kendskab til gener. Den gode nyhed er, at du sandsynligvis dækkede dette i din biologi på gymnasiet, men bare hvis du har glemt, her er en hurtig opsummering. EN gen refererer til en enkelt enhed med arvelig information - en faktor, der styrer en bestemt aktivitet eller egenskab. Gener findes på kromosomer , som selv bor i kernerne i vores celler.

Kromosomer, selvfølgelig, indeholder lange kæder af DNA bygget med gentagne underenheder kendt som nukleotider . Det betyder, at et enkelt gen er en endelig DNA -strækning med en specifik sekvens af nukleotider. Disse nukleotider fungerer som en blueprint for et specifikt protein, som samles i en celle ved hjælp af en proces i flere trin.

• Det første skridt, kendt som transkription , begynder, når et DNA -molekyle udpakkes og fungerer som en skabelon til at oprette en enkelt streng af komplementært messenger -RNA.
• Messenger -RNA bevæger sig derefter ud af kernen og ind i cytoplasmaet, hvor den hæfter til en struktur kaldet ribosomet.
• Der, den genetiske kode, der er gemt i messenger -RNA, som selv afspejler koden i DNA'et, bestemmer en præcis sekvens af aminosyrer. Dette trin er kendt som oversættelse , og det resulterer i en lang kæde af aminosyrer - et protein.

Proteiner er cellens arbejdsheste. De hjælper med at bygge den fysiske infrastruktur, men de kontrollerer og regulerer også vigtige metaboliske veje. Hvis et gen ikke fungerer - hvis, sige, dets sekvens af nukleotider bliver krypteret - så bliver dets tilsvarende protein ikke fremstillet eller vil ikke blive fremstillet korrekt. Biologer kalder dette a mutation , og mutationer kan føre til alle mulige problemer, såsom kræft og phenylketonuri.

Genterapi forsøger at genoprette eller erstatte et defekt gen, bringe en celles evne tilbage til at lave et manglende protein. På skrift, det er ligetil:Du indsætter ganske enkelt den korrekte version af et gen i en DNA -streng. I virkeligheden, det er lidt mere kompliceret, fordi celler kræver hjælp udefra i form af en virus. Du tænker sandsynligvis på vira som agenter, der forårsager infektioner - kopper, influenza, rabies eller AIDS. I genterapi, forskere bruger disse små levende, men ikke-levende partikler til at give en celle en genetisk makeover. I det næste afsnit, Vi vil undersøge, hvilke vira der bruges, og hvorfor.

Virus som genterapivektorer

Vira forvirrede biologer i årevis. De kunne se virkningerne af vira - sygdom - men de kunne ikke isolere infektionsmidlet. I starten de troede, at de havde at gøre med ekstremt små bakterieceller. Derefter, midt i en strøm af interesse for vira, Den amerikanske videnskabsmand Wendell Stanley krystalliserede partiklerne, der var ansvarlige for tobaksmosaiksygdom og beskrev vira for verden i 1935.

Disse mærkelige enheder har ikke kerner eller andre cellulære strukturer, men de har nukleinsyre, enten DNA eller RNA. Denne lille pakke med genetisk information er pakket inde i et proteinlag, hvilken, i nogle tilfælde, er pakket ind i en membranøs kuvert.

I modsætning til andre levende ting, vira kan ikke reproducere sig selv, fordi de ikke har det nødvendige cellulære maskineri. De kan, imidlertid, reproducere sig, hvis de invaderer en celle og låner cellens udstyr og enzymer. Grundprocessen fungerer således:

1. En virus kommer ind i en værtscelle og frigiver sin nukleinsyre og proteiner.
2. Værtsenzymer genkender ikke viralt DNA eller RNA som fremmed og laver heldigvis masser af ekstra kopier.
3. På samme tid, andre værtsenzymer transkriberer den virale nukleinsyre til messenger -RNA, som derefter fungerer som en skabelon til fremstilling af flere virale proteiner.
4. Nye viruspartikler samler sig selv, ved hjælp af de friske tilførsler af nukleinsyre og protein fremstillet af værtscellen.
5. Viruserne forlader cellen og gentager processen i andre værter.

Denne evne til at transportere genetisk information ind i celler gør vira nyttige i genterapi. Hvad hvis du kunne erstatte et stykke af viralt DNA med DNA fra et humant gen og derefter lade den virus inficere en celle? Ville værtscellen ikke lave kopier af det introducerede gen og derefter følge genens plan for at slette det tilhørende protein ud? Det viser sig, dette er fuldstændig muligt - så længe forskere ændrer virussen for at forhindre den i at forårsage sygdom eller fremkalde en immunreaktion fra værten. Når det ændres, sådan en virus kan blive et redskab, eller vektor , at levere en specifik genterapi.

I dag, forskere bruger flere typer vira som vektorer. En favorit er adenovirus , agenten ansvarlig for forkølelse hos mennesker. Adenovirus introducerer deres DNA i cellens kerne, men DNA'et er ikke integreret i et kromosom. Dette gør dem til gode vektorer, men de stimulerer ofte et immunrespons, selv når det er svækket. Som et alternativ, forskere kan stole på adeno-associerede vira , som ikke forårsager kendte menneskelige sygdomme. Ikke kun det, de integrerer deres gener i værts -kromosomer, gør det muligt for cellerne at replikere det indsatte gen og videregive det til fremtidige generationer af de ændrede celler. Retrovira , som dem, der forårsager AIDS og nogle former for hepatitis, også splejse deres arvemateriale ind i kromosomerne i de celler, de invaderer. Som resultat, forskere har studeret retrovirus i vid udstrækning som vektorer til genterapi.

Genterapi uden for kroppen

Ideen om genterapi har hoppet rundt om forskernes hjerner i årtier. Faktisk, det var Edward Tatum, en amerikansk genetiker, der foreslog først, at genetiske sygdomme kunne helbredes med "genteknologi" i 1966. Samme år, en anden amerikaner, Joshua Lederberg, skitserede faktisk detaljerne i "virogen terapi" i en artikel offentliggjort i The American Naturalist. Mange forskere arbejdede derefter ihærdigt med at flytte genterapi fra koncept til virkelighed. I 1972, biokemiker Paul Berg fandt ud af, hvordan man kan snitte et stykke menneskeligt DNA ud og indsætte det i genomet af en virus, som han derefter brugte til at inficere bakterieceller. Til sidst, han var i stand til at få bakterier til at producere humant insulin. Ti år senere, Ronald M. Evans indsatte genet for rottevæksthormon i et retrovirus og overførte derefter genet til museceller.

Alle disse bestræbelser satte scenen for en genterapirevolution. Det første genterapiforsøg godkendt af U.S. Food and Drug Administration fandt sted i 1990. Forsøget fokuserede på patienter med alvorlig kombineret immundefekt (SCID), også kendt som "bubble boy" sygdom efter David Vetter, der boede i det sterile miljø af en plastikboble, indtil han døde i 1984 i en alder af 12 år.

Forskere i dette forsøg brugte det, der er kendt som en uden for kroppen genterapi. Først, de høstede marv fra en patient ved at stikke en særlig nål gennem huden og ind i hoftebenet. Derefter, i laboratoriet, de udsatte stamcellerne fra marven for retrovira, hvis RNA var blevet modificeret til at indeholde genet forbundet med SCID. Retroviruserne inficerede stamcellerne og indsatte det funktionelle gen i værts -kromosomet. Næste, forskere tog de konstruerede stamceller og injicerede dem tilbage i patientens blodbaner. Cellerne lavede en beeline for knoglemarven og, ligesom alle gode stamceller, modnet til forskellige celletyper, herunder raske T -celler med fungerende kopier af det nødvendige gen. Ved hjælp af denne teknik, snesevis af børn med SCID er blevet helbredt. Men det er ikke den eneste sygdom - eller tilgang - på afspilningslisten over genetikere [kilde:Nienhuis].

Genterapi i kroppen

Den anden almindelige måde at administrere genterapi på er at injicere det genbærende virus direkte i det område, der har defekte celler. James Wilson, professor i patologi og laboratoriemedicin ved University of Pennsylvania, var pioner i denne såkaldte "in-the-body" genterapi i 1990'erne. Han brugte adenovirus som sin vektor, men han svækkede det for at begrænse immunresponset hos modtageren. I tidlige test, hans modificerede virus syntes slet ikke at forårsage skade - ikke engang snuse - hos forsøgspersoner. Det betød, at det kunne levere gener pålideligt med få bivirkninger.

I 1999, han ledte et fase I klinisk forsøg for at teste adenovirusbaseret terapi til behandling af en sjælden genetisk lidelse kaldet ornithintranscarbamylase (OTC) -mangel. OTC er et enzym, der hjælper kroppen med at nedbryde overskydende nitrogen. Uden det, ammoniakniveauerne stiger, indtil hjernen bliver forgiftet. Et enkelt gen på X -kromosomet koder for enzymet, gør den til en ideel kandidat til den eksperimentelle terapi. Wilson indsatte OTC -genet i svækkede adenoviruspartikler og injicerede derefter dem i leverne af 18 patienter [kilde:Neimark].

Ideen var enkel:Virussen ville inficere levercellerne, som derefter ville fortsætte med at replikere OTC -genet og begynde at fremstille enzymet. Desværre, en af ​​patienterne, 18-årige Jesse Gelsinger, døde kun tre dage efter at have modtaget sin injektion af den manipulerede virus. Forskere tror nu, at Gelsingers krop havde et massivt immunrespons, fører til udbredt organsvigt. Det er blot en af ​​risiciene ved genterapi, som vi vil se på den næste side.

Indtil nu, forskere har fokuseret deres genterapiforsøg på somatiske celler - enhver anden celle i kroppen end reproduktive celler. Med andre ord, disse behandlinger kan ikke videregives til en persons børn. Det er muligt, i teorien, at manipulere DNA fra æg og sædceller, som ville gøre det muligt at overføre genetisk manipulerede gener til kommende generationer. Denne såkaldte germline-genterapi rejser en række etiske bekymringer og forbliver uden for grænser for forskere, der håber at erhverve føderale midler.

Genterapisikkerhed

Jesse Gelsingers død bedøvede offentligheden, og det sendte chokbølger gennem det videnskabelige samfund, også. Genetikere kom til den smertefulde erkendelse, at genterapi, mens det er let at diagramme på papir, kom fyldt med udfordringer og faldgruber. Og det var ligegyldigt, hvordan de tacklede problemet-både in- og out-of-the-body-tilgange havde iboende risici.

Til genterapi i kroppen, det største problem er patientens immunsystem. Kroppen ser adenoviruspartikler, selv dem, der bærer et humant gen, som fremmedlegemer. Når de kommer ind i værtsceller, værten reagerer ved at montere et modangreb for at slippe af med angriberne. Dette er hvad der skete med Jesse Gelsinger. Hans immunsystem var ikke klar over, at viraene forsøgte at være nyttige, og det indledte et kraftigt angreb, lukker sine organer ned i processen. I dag, forskere kan give Gelsinger lavere terapidoser eller forbehandle ham med immunsuppressive lægemidler. En anden mulighed, der undersøges, involverer "nøgen" DNA, som refererer til et nukleinsyremolekyle fjernet fra dets virale bærer.

Ute-af-kroppen-behandlinger, der er afhængige af retrovira, har deres egne problemer. Husk, retrovirusser sy deres DNA ind i værts -kromosomet, hvilket er lidt som at hente en kort sætning fra en sætning og tilslutte den til en længere sætning. Hvis indsættelsen ikke sker det helt rigtige sted, det resulterende "sprog" giver muligvis ingen mening. I nogle genterapiforsøg med retrovirus, patienter har udviklet leukæmi og andre former for kræft, fordi indsættelse af et gen forstyrrer funktionen af ​​andre omgivende gener. Denne komplikation har påvirket flere børn i SCID -forsøgene, selvom mange af dem har slået kræften med andre behandlinger.

På grund af disse spørgsmål, den amerikanske Food and Drug Administration (FDA) regulerer alle genterapiprodukter i USA gennem sin Center for biologisk evaluering og forskning , eller CBER . Centret yder også proaktiv videnskabelig og lovgivningsmæssig rådgivning til medicinske forskere og producenter, der er interesseret i at udvikle human genterapiprodukter. Efterforskere kan også henvende sig til National Institutes of Health for vejledning og retningslinjer, når de udfører kliniske forsøg med genterapi.

Til dato, centret har endnu ikke godkendt noget humant genterapiprodukt til salg, selvom flere igangværende forsøg giver lovende resultater. Næste, vi vil se på et par nylige succeser i, hvad mange mener er genterapiens anden revolution.

Sikkerheden ved genterapi er kun en del af problemet. Mange mennesker stiller spørgsmålstegn ved, om det er moralsk godt eller korrekt at ændre andres gener. De undrer sig over, hvem der bestemmer, hvilke gener der er "gode" og hvilke "dårlige". De undrer sig også over omkostningerne forbundet med genterapi. Hvis behandlingerne kommer med en høj pris, vil de ikke være uden for mange patienter med lav indkomst eller utilstrækkelig sundhedsforsikring? Og hvad sker der, når nogen beslutter sig for at bruge genterapi til at korrigere ikke -dødelige menneskelige træk, såsom højde, intelligens og atletisk evne? Disse etiske spørgsmål er lige så vigtige som alle vedrørende virusens biologi eller mekanikken ved genindsættelse og ekspression.

Sygdomme behandlet med genterapier

I kølvandet på Jesse Gelsinger død, FDA forbød James Wilson at gennemføre genterapiforsøg ved hjælp af mennesker. Andre forskere, imidlertid, fungerede ikke under de samme begrænsninger.

I 2007, Jean Bennett, en molekylær genetiker og læge ved University of Pennsylvania School of Medicine, og hendes mand, Albert Maguire, en retinal kirurg på Children's Hospital of Philadelphia, begyndte et klinisk forsøg med at studere en genterapibehandling for en sjælden form for blindhed kendt som leber medfødt amaurose ( LCA ). En mutation i et gen kendt som RPE65 fører til en mangel på et protein, der er afgørende for nethindens normale funktion. Mennesker, der mangler dette protein, lider gradvist tab af syn, indtil de mister alt syn, normalt i en alder af 40 år.

Bennett og Maguire indsatte RPE65-genet i en adeno-associeret virus, venligere, mildere version af adenovirus. De injicerede derefter den manipulerede virus i lave doser i nethinden hos tre patienter. Vira inficerede nethindecellerne, som begyndte at rive RPE65 -proteinet ud. Se og se, visionen for alle tre emner blev forbedret, og der blev ikke rapporteret nogen grimme bivirkninger - herunder farlige immunresponser. Holdet besluttede at teste en større testpopulation med en stærkere dosis af virussen. Yderligere seks LCA -patienter modtog genterapien og nød endnu bedre resultater [kilde:Kaiser].

Det sætter SCID og LCA i en sjælden kategori - sygdomme, der med succes er behandlet ved genterapi. Og alligevel føler genetikere og molekylærbiologer sig overbeviste om, at der vil være flere. James Wilson, der fortsat bidrager til feltet, har isoleret 120 typer adeno-associerede vira, hvoraf mange fungerer mere effektivt i nogle væv end andre. For eksempel, nogle af disse vektorer har en affinitet til hjertevæv, mens andre har en affinitet for celler i rygmarven og hjernen. Fremtidig forskning kan give levedygtige behandlinger for rygmarvsskader og for sygdomme som Parkinsons [kilde:Neimark].

Forskere gør også store fremskridt med behandlinger uden for kroppen. I juli 2013, tidsskriftet Science offentliggjorde resultaterne af to undersøgelser, der undersøgte brugen af ​​lentivirus som genterapivektorer. Lentivirus er retrovira, men de er unikke i deres evne til at overføre gener effektivt og permanent i både delende og ikke -delende celler. Andre retrovira skal gøre deres genetiske voodoo på delende celler. Måske vigtigere, lentivirus synes mindre tilbøjelige til at aktivere andre kræftrelaterede gener, når de indsætter deres nyttelast i værtens DNA. Da forskere testede lentiviral-baseret terapi på patienter med adrenoleukodystrofi, en X-koblet neurodegenerativ sygdom, der rammer unge mænd, og metakromatisk leukodystrofi, en sjælden neurodegenerativ sygdom forårsaget af mutationer i et enkelt gen, de var i stand til at standse udviklingen af ​​begge sygdomme uden skadelige bivirkninger [kilde:Cossins].

I fremtiden, andre lovende genterapier kommer helt sikkert til at dukke op, mest for arvelige sygdomme, såsom cystisk fibrose, muskeldystrofi, seglcelleanæmi og hæmofili. Selv phenylketonuri kan blive fortid, noget, der sandsynligvis ville gøre Charlie Gordon ret glad.

Masser mere information

Forfatterens note:Sådan fungerer genterapi

Det er svært ikke at blive imponeret over mekanikken i genterapi - snippet, splejsning og bytte af DNA. Men adskiller "Kan du?" fra "Skal du?" virker en meget mere skræmmende opgave. Jeg formoder, at adressering af genterapiens etik afhænger meget af, om du eller et familiemedlem lider af en sjælden genetisk lidelse.

relaterede artikler

• Sådan fungerer genpatenter
• Kan en symaskine sy DNA sammen?
• Kunne genterapi helbrede skaldethed?
• Hvordan bliver gener slået fra og til?
• Er der et gen for hver sygdom?
• Sådan virker vira
• Sådan fungerer dit immunsystem

Kilder

• Clancy, Suzanne. "Oversættelse:DNA til mRNA til protein." Scitable. 2008. http://www.nature.com/scitable/topicpage/translation-dna-to-mrna-to-protein-393
• Clark, Janet. "Etiske spørgsmål i blomster til Algernon." KlipperBemærkninger. http://www.cliffsnotes.com/literature/f/flowers-for-algernon/critical-essays/ethical-issues-in-flowers-for-algernon
• Cossins, Dan. "Genterapi ved at blive voksen?" Den nye videnskabsmand. 11. juli kl. 2013. http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/36481/title/Gene-Therapy-Coming-of-Age-/
• Greenwood, Veronique. "Hvordan dine skattekroner redder liv:Genterapi." Opdag magasinet. 24. oktober kl. 2011. http://discovermagazine.com/2011/oct/24-how-your-tax-dollars-save-lives-gene-therapy#.UfchiGRAR38
• Jage, Sonia Y. "Kontroverser i behandlingsmetoder:Genterapi, IVF, Stamceller, og farmakogenomik. "Naturundervisning. 2008. http://www.nature.com/scitable/topicpage/controversies-in-treatment-approaches-gene-therapy-ivf-792
• Kaiser, Jocelyn. "Genterapi i et nyt lys." Smithsonian Magazine. Januar 2009. http://www.smithsonianmag.com/science-nature/Gene-Therapy-in-a-New-Light.html?onsite_source=relatedarticles&onsite_medium=internallink&onsite_campaign=SmithMag&onsite_content=Gene%20Therapy%20in%20a%20New%20
• Mayo Clinic personale. "Genterapi." Mayo Clinic tests og procedurer. 5. januar, 2013. http://www.mayoclinic.com/health/gene-therapy/MY00105
• I morgen, Matthew P. og David B. Weiner. "DNA -lægemidler bliver gamle." Videnskabelig amerikansk. Juli 2010.
• Neimark, Jill. "Genterapiens andet komme." Opdag magasinet. 2. september, 2009. http://discovermagazine.com/2009/sep/02-second-coming-of-gene-therapy#.UfciAWRAR38
• Nienhuis, Arthur. "Hvad er genterapi?" Videnskabelig amerikansk. August 2008.
• Philipkoski, Kristen. "Endnu en chance for genterapi?" Kablet blad. 1. oktober kl. 1999. http://www.wired.com/science/discoveries/news/1999/10/31613
• Ravenscroft, Tim. "TechUpdate:Er lentivirale vektorer på vej mod breakout?" Genteknik og bioteknologi Nyheder. 15. juni kl. 2008. http://www.genengnews.com/gen-articles/techupdate-are-lentiviral-vectors-on-cusp-of-breakout/2517/
• Stolberg, Sheryl Gay. "Biotech -døden for Jesse Gelsinger." New York Times. 28. november kl. 1999. http://www.nytimes.com/1999/11/28/magazine/the-biotech-death-of-jesse-gelsinger.html
• U.S. National Library of Medicine. "Hvad er genterapi?" Genetik Hjemreference. 22. juli kl. 2013. http://ghr.nlm.nih.gov/handbook/therapy/genetherapy
• Wenner, Melinda. "Genvinde tabt glans." Videnskabelig amerikansk. Januar 2008.