9789188659057

Copyright © Jennifer Doudna & Samuel Sternberg, 2017 All rights reserved Denna utgåva © Volante, 2018 Översättning: Jim Jakobsson Form och sättning: Jonas Lindén Volante Stora Nygatan 7 111 27 Stockholm www.volante.se Tryckt hos Scandbook, Falun, 2018.

Första utgåvan, första tryckningen.

ISBN 978-91-88659-05-7

Till våra föräldrar, Dorothy och Martin Doudna (J.A.D.) och Susanne Nimmrichter och Robert Sternberg (S.H.S.)

Vetenskapen vet inte hur mycket den har fantasin att tacka fÜr. – ralph waldo emerson

INNEHÅLL

Prolog: Vågen

IX Del I. VERKTYGET

1. Sökandet efter ett botemedel

3

2. Ett nytt försvar

40

3. Att knäcka koden

69

4. Behärskning och kontroll

100

Del II. UPPGIFTEN 5. CRISPR-menageriet

137

6. Att bota de sjuka

180

7. Räkenskapens dag

214

8. Hur ser framtiden ut?

248

Epilog: En ny början

282

Tack

291

Noter

295

P ROL OG : VÅGEN I MIN DRÖM står jag på en strand.

Till höger och vänster om mig ser jag en lång sandremsa som sträcker sig längs vattnet och bildar en stor bukt. Jag inser att jag befinner mig på den ö där jag växte upp, i utkanten av Hilo Bay på Hawaii. Där brukade jag tillbringa helgerna med vänner, följa kanottävlingar och leta efter snäckskal och glasbollar som ibland spolades upp på stranden från japanska fiskebåtar.

Men i dag syns mina vänner inte till, och inte heller några kanoter eller fiskebåtar. Stranden är tom, sanden och vattnet onaturligt stilla. Bortom vågbrytaren glittrar ljuset över havsytan, liksom för att stilla den rädsla jag har burit med mig ända sedan jag var liten flicka. Det är en fruktan som hemsöker alla som bor här vid Hilo, unga som gamla. Min generation växte upp utan att vara med om någon tsunami, men vi har alla sett bilderna. Vi vet att vår stad ligger i översvämningsområdet.

Och plötsligt ser jag den komma långt där borta. En våg.

Till att börja med är den helt liten, men för varje sekund kan jag se den växa, torna upp sig framför mig som en allt högre mur, med ett skummande krön som förmörkar himlen. Bakom den följer andra vågor, alla på väg in mot stranden.

Jag är paralyserad av rädsla – men medan tsunamin kommer allt närmare övergår min skräck i beslutsamhet. Jag upptäcker ett litet träskjul bakom mig. Det är min vän Puas ställe, utanför står

X

SPRICKAN I SKAPELSEN

en hög med surfbrädor. Jag plockar upp en bräda och hoppar ut i vattnet, paddlar ut i viken runt vågbrytaren och beger mig iväg rakt mot de inkommande vågorna. Innan den första vågen väller in över mig lyckas jag dyka igenom den, och när jag kommer ut på andra sidan surfar jag nerför den andra vågen. På vägen ner insuper jag utsikten. Det är en fantastisk syn – där är Mauna Kea och ännu längre bort Mauna Loa, vulkaner som reser sig skyddande över viken och sträcker sig upp mot himlen.

Plötsligt slår jag upp ögonen och vaknar. Jag befinner mig i mitt sovrum i Berkeley i Kalifornien, tusentals kilometer från mitt barndomshem.

Det är juli 2015 och jag är mitt uppe i det mest spännande och överväldigande året i mitt liv. Den senaste tiden har jag regelbundet haft drömmar som den här, och nu har jag börjat förstå deras djupare mening. Stranden är en hägring, men vågorna och det virrvarr av känslor som de väcker – rädsla, hopp och vördnad – är bara alltför verkliga.

Mitt namn är Jennifer Doudna. Jag är biokemist och har tillbringat större delen av min karriär i ett laboratorium, där jag har forskat i ämnen som de flesta utanför mitt område aldrig har hört talas om. Men de senaste fem åren har jag blivit engagerad i ett banbrytande område av livsvetenskaperna, ett ämne i snabb utveckling som inte ryms inom ett akademiskt forskningscentrums fyra väggar.

Mina kollegor och jag har svepts iväg av en oemotståndlig kraft, inte helt olik tsunamin i min dröm – med den skillnaden att detta är en flodvåg som jag själv varit med om att utlösa.

Bara några år tidigare hade jag bidragit till att utveckla en ny bioteknik som nu, sommaren 2015, hade börjat accelerera i en takt som jag aldrig hade kunnat föreställa mig. Och dess konsekvenser var omvälvande – inte bara för livsvetenskaperna utan för allt liv på jorden.

PROLOG: VÅGEN

XI

Den här boken är historien om denna teknik, och om mig. Det är också din historia. För det kommer inte att dröja länge innan effekterna av denna teknik berör oss alla.

Människor har ägnat sig åt att omgestalta den fysiska världen i många tusen år, men aldrig har effekterna varit lika dramatiska som i dag. Industrialisering har orsakat klimatförändringar som hotar ekosystem över hela jorden, och dessa och andra mänskliga aktiviteter har gjort att allt fler arter dör ut i de mångskiftande populationer av varelser som vi delar jorden med. Förändringarna är så stora att geologer har föreslagit att döpa om vår nuvarande tidsålder till ”antropocen” – den mänskliga epoken.

Men den biologiska världen genomgår också andra djupgående förändringar, även de orsakade av människor. Under miljarder år framskred livet i enlighet med Darwins evolutionsteori: Organismer utvecklades genom en serie slumpmässiga genetiska variationer som i vissa fall gav fördelar när det gällde att överleva, konkurrera och föröka sig. Hittills har även vår art formats av denna process; fram tills nyligen var vi i själva verket nästan helt utlämnade åt den. När jordbruket växte fram för tiotusen år sedan började människor påverka evolutionen genom selektiv avel av växter och djur, men utgångsmaterialet – DNA-mutationerna som låg bakom de genetiska variationer som fanns att välja mellan – uppkom fortfarande spontant och slumpmässigt. Till följd av detta var människans försök att omvandla naturen stapplande och hade bara begränsad effekt.

I dag har allt detta förändrats drastiskt. Forskare har lyckats få denna uråldriga process helt under mänsklig kontroll. Med hjälp av kraftfulla bioteknologiska verktyg som gör det möjligt att mixtra med DNA i levande celler kan forskarna nu bearbeta och rationellt

XII

SPRICKAN I SKAPELSEN

modifiera den genetiska kod som definierar varje art på planeten, inklusive vår egen. Och med det senaste och kanske mest effektiva genetiska verktyget, CRISPR-Cas9 (eller kortare: CRISPR), har genomet eller arvsmassan – en organisms hela DNA-innehåll, inklusive alla dess gener – blivit möjligt att ”redigera” nästan på samma sätt som en skriven text.

Förutsatt att den genetiska koden för en viss egenskap är känd kan forskare använda CRISPR för att föra in, redigera eller radera ifrågavarande gen i arvsmassan hos vilken som helst levande varelse, det må vara en växt eller ett djur. Denna metod är mycket enklare och effektivare än någon annan nu existerande teknik för genbearbetning. Praktiskt taget över en natt har vi ställts på tröskeln till en ny epok inom genetisk ingenjörskonst och behärskning av den biologiska verkligheten – en revolutionerande epok där bara vår kollektiva fantasi sätter gränser för vad som är möjligt.

Detta nya verktyg för genredigering har hittills prövats ut framför allt inom djurriket. Forskarna har till exempel använt CRISPR för att ta fram genetiskt förstärkta versioner av beaglehundar; genom att förändra en enda bokstav av DNA:t i en gen som kontrollerar muskeltillväxt har man skapat bodybuilderliknande hundar med enorma muskler. I ett annat fall har man inaktiverat en gen i grisens genom som reagerar på tillväxthormon och på så sätt skapat mikrogrisar, svin som inte är större än stora katter och som kan säljas som husdjur. Något liknande har forskare gjort med getter av rasen shannbei, genom att med hjälp av CRISPR redigera djurens arvsmassa så att de utvecklar både mer muskler (vilket ger mer kött) och längre hår (vilket ger mer kaschmirfibrer). Just nu använder genetiker till och med CRISPR för att förvandla den asiatiska elefantens DNA till något som alltmer liknar den ullhåriga mammutens DNA, i förhoppning om att någon dag kunna återuppliva detta utdöda djur.

PROLOG: VÅGEN

XIII

Samtidigt har CRISPR använts även på växter, och redigering av genomet hos olika grödor har banat väg för framsteg inom jordbruket som skulle kunna förbättra människors diet dramatiskt och trygga världens livsmedelsförsörjning. Experiment med genredigering har skapat sjukdomsresistent ris, tomater som mognar långsammare, sojabönor som innehåller mer av hälsosamt fleromättat fett och potatis med lägre nivåer av ett starkt nervgift.

Dessa förbättringar uppnår livsmedelsforskarna inte med så kallade transgena tekniker – när DNA från en art fogas in i en annan arts arvsmassa – utan genom noggranna genetiska uppgraderingar som förändrar bara några få bokstäver i organismens eget DNA. Medan sådana tillämpningar på planetens flora och fauna är spännande, är det genredigeringens effekter på vår egen art som rymmer både det största löftet och kanske det största hotet för mänsklighetens framtid.

Vissa av fördelarna för människors hälsa lär paradoxalt nog uppkomma genom tillämpning av CRISPR på djur och rentav insekter.

I färska experiment har CRISPR använts för att ”förmänskliga” grisars DNA, vilket väckt förhoppningar om att dessa djur någon dag ska kunna fungera som organdonatorer för människor. CRISPR återfinns nu också i genomet hos nya myggsorter, som en del av ett projekt för att snabbt få fram nya egenskaper i vilda myggpopulationer. På detta sätt hoppas forskarna så småningom kunna utrota sjukdomar som överförs av myggor, till exempel malaria och zika, eller rentav radera ut de sjukdomsbärande myggorna själva.

Men när det gäller behandlingen av många sjukdomar ger CRISPR också möjlighet att redigera och reparera muterade gener direkt hos mänskliga patienter. Hittills har vi bara fått en glimt av vad som kan åstadkommas med denna metod, men det vi har sett de senaste åren är mycket hoppingivande. I mänskliga celler

XIV

SPRICKAN I SKAPELSEN

som odlats i laboratoriet har tekniken använts för att korrigera bland annat de mutationer som är ansvariga för cystisk fibros, sickelcellanemi, vissa former av blindhet och svår kombinerad immunbrist. Detta har forskarna kunnat åstadkomma tack vare att CRISPR förmår hitta och korrigera enskilda felaktiga bokstäver av DNA i de 3,2 miljarder bokstäver som utgör det mänskliga genomet. Men CRISPR kan också användas för att utföra än mer komplexa modifikationer. Forskarna har lagat de DNA-skador som orsakar Duchennes muskeldystrofi genom att knipsa bort endast den skadade regionen av den muterade genen och lämna resten intakt. I fallet med blödarsjuka typ A har forskare använt CRISPR för att med precision arrangera om över en halv miljon bokstäver av DNA som är omkastade i arvsmassan hos drabbade patienter. CRISPR kan till och med användas för att behandla hiv/ aids, genom att antingen skära ut virusets DNA ur en patients infekterade celler eller redigera patientens DNA så att cellerna helt undgår infektion.

Listan över möjliga terapeutiska tillämpningar av genredigering kan göras mycket längre. Eftersom CRISPR möjliggör exakt och relativt okomplicerad DNA-redigering har tekniken förvandlat varje genetisk sjukdom – åtminstone varje sjukdom där vi känner till den underliggande mutationen – till ett potentiellt föremål för behandling. Läkare har redan börjat behandla vissa cancerformer med trimmade immunceller, vilka fått sina genom förstärkta med redigerade gener för att hjälpa dem att leta upp cancerceller. Även om det fortfarande är en bit kvar innan CRISPR-baserade terapier blir allmänt tillgängliga för mänskliga patienter, kan det inte råda något tvivel om deras potential. Genredigering ger löfte om behandlingsformer och botemedel med förmågan att förändra och till och med rädda människors liv.

PROLOG: VÅGEN

XV

Men CRISPR-tekniken har också andra djupgående konsekvenser: den kan användas inte bara för att behandla sjukdomar hos levande människor, utan också för att förhindra sjukdomar hos framtida människor. CRISPR-tekniken är så enkel och effektiv att forskare skulle kunna utnyttja den för att modifiera den mänskliga arvslinjen – den ström av genetisk information som knyter en generation till nästa, det vill säga det genetiska material som går i arv. Och denna teknik kommer utan tvivel – någon dag, någonstans – att användas för att göra ärftliga modifikationer i genomet hos vår egen art, och därmed för alltid förändra mänsklighetens genetiska sammansättning.

Om genredigering på människor visar sig säkert och effektivt kan det tyckas logiskt och rentav önskvärt att korrigera sjukdomsframkallande mutationer så tidigt som möjligt i livet, innan skadliga gener börjar utöva sin förödande verkan. Men när det väl har blivit möjligt att förvandla ett embryos muterade gener till ”normala” former kommer det säkert att finnas en frestelse att också uppgradera normala gener till förmodat överlägsna versioner. Många lär finna det rimligt att redigera gener hos ofödda barn för att minska risken att de någon gång i livet drabbas av hjärtsjukdomar, alzheimer, diabetes eller cancer. Men vad ska vi säga om tanken att förse ofödda barn med andra fördelaktiga egenskaper, såsom större styrka och ökade kognitiva förmågor, eller att förändra fysiska egenskaper som ögon- och hårfärg? Strävan efter fullkomning verkar nästan ligga i människans natur, men om vi börjar röra oss längs detta sluttande plan är risken att vi hamnar på en plats där vi inte vill vara.

Vad det handlar om är följande, i ett nötskal: Under de ungefär hundratusen år som det har funnits moderna människor har arvsmassan hos Homo sapiens formats av två krafter: slumpmässiga mutationer och naturligt urval. Nu har vi för första gången någonsin

XVI

SPRICKAN I SKAPELSEN

förmågan att redigera inte bara DNA:t hos varje levande människa utan även framtida generationers DNA – vi kan i princip styra vår egen arts evolution. Detta är något helt nytt i livets historia på jorden. Det överstiger vår fattningsförmåga. Och det ställer oss inför en till synes hopplös men ofrånkomlig fråga: Vad kommer vi, ett splittrat släkte som inte kan enas om särskilt mycket, att välja att göra med denna oerhörda makt? År 2012 publicerade jag och mina kollegor en forskningsartikel som blev utgångspunkten för CRISPR-tekniken. Inget kunde då ha varit mig mer främmande än idéer om att styra den mänskliga artens evolution. Den ursprungliga drivkraften för vårt arbete hade varit nyfikenhet på ett helt orelaterat ämne: bakteriers sätt att försvara sig mot virusinfektioner. Men under vår forskning kring ett bakteriellt immunsystem kallat CRISPR-Cas upptäckte vi en osannolik molekylmaskin som kunde skära upp viralt DNA med utomordentlig precision. Vi insåg genast att samma maskin skulle kunna användas för att utföra DNA-modifikationer i andra typer av celler, inklusive mänskliga celler. Och efterhand som tekniken började spridas och utvecklas allt snabbare, kunde jag inte längre blunda för de vidare konsekvenserna av vårt arbete.

När forskare väl hade använt CRISPR på primatembryon för att skapa de första genredigerade aporna, frågade jag mig hur länge det skulle dröja innan någon dristig forskare försökte göra samma sak med människor. Som biokemist hade jag aldrig arbetat med djurmodeller, mänsklig vävnad eller mänskliga patienter; gränsen för min trygghetszon gick vid kanten på petriskålarna och provrören i mitt labb. Men här befann jag mig nu, vittne till hur en teknik som jag hade bidragit till att skapa användes på ett sätt som radikalt skulle kunna omvandla både vår art och den värld i vilken vi lever.

PROLOG: VÅGEN

XVII

Skulle tekniken komma att öka sociala eller genetiska ojämlikheter eller bli början på en ny eugenisk rörelse? Vilka följdverkningar måste vi förbereda oss på?

Jag var frestad att överlåta alla sådana diskussioner åt personer utbildade i bioetik, för att själv återgå till den spännande biokemiska forskning som till att börja med hade lett mig till CRISPR. Men som pionjär på fältet kände jag samtidigt ett ansvar för att bidra till samtalet om hur dessa tekniker kunde och borde användas. Framför allt ville jag se till att diskussionen inbegrep inte endast forskare och bioetiker utan också ett brett spektrum av andra intresserade, såsom samhällsvetare, beslutsfattare, religiösa ledare, tillsynsmyndigheter och medlemmar av allmänheten. Med tanke på att detta är en vetenskaplig utveckling som berör hela mänskligheten tycktes det mig absolut nödvändigt att engagera så många samhällsgrupper som möjligt. Dessutom kände jag att samtalet borde börja genast, innan fortsatta tillämpningar omöjliggjorde alla försök att tygla den nya tekniken.

Och så kom det sig att jag år 2015 började ägna alltmer tid åt för mig helt främmande ämnen, parallellt med att jag fortsatte leda mitt laboratorium vid Berkeley och reste runt i världen för att presentera min forskning på seminarier och konferenser. Jag svarade på mängder av frågor från journalister om allt från specialdesignade bebisar till genetiskt konstruerade övermänniskor och hybrider av människa och gris. Jag talade om CRISPR med Kaliforniens guvernör, med medlemmar av Vita husets vetenskaps- och teknikbyrå, med CIA och inför amerikanska kongressen. Jag organiserade den första konferensen för att diskutera de etiska frågor som genredigeringsteknik, och särskilt CRISPR, väcker inom olika områden, alltifrån reproduktionsbiologi och mänsklig genetik till jordbruk, miljö och sjukvård. Och jag hjälpte till att bygga vidare på impulsen

XVIII

SPRICKAN I SKAPELSEN

från denna konferens genom att vara med och organisera ett långt större internationellt toppmöte om mänsklig genredigering, som sammanförde forskare och andra deltagare från USA, Storbritannien, Kina och andra håll i världen.

Gång på gång i dessa samtal har vi återkommit till frågan om hur vår nyfunna makt ska utnyttjas. Ännu har vi inte kommit fram till något svar, men vi börjar så sakteliga närma oss.

Genredigering tvingar oss att brottas med den besvärliga frågan om var gränsen ska dras när det gäller modifiering av människans genetik. Vissa förkastar varje form av genetisk modifiering som något avskyvärt, en kränkning av naturens heliga lagar och livets värdighet. Andra uppfattar genomet som ingenting mer än mjukvara – något vi kan laga, rengöra, uppdatera och uppgradera – och hävdar att det inte bara är irrationellt utan omoraliskt att på nåd och onåd utlämna människor åt bristfälliga gener. Överväganden som dessa har fått vissa att kräva ett direkt förbud mot redigering av arvsmassan hos ofödda människor, medan andra vill att forskarna ska kunna arbeta vidare utan begränsningar.

Mina egna åsikter i ämnet är fortfarande under utveckling, men jag slogs av en kommentar som fälldes under den konferens i januari 2015 som jag hade organiserat för att diskutera redigering i arvslinjen hos mänskliga embryon. Sjutton personer, däribland Sam Sternberg, min medförfattare till den här boken (och min tidigare doktorand), satt runt ett konferensbord i Kaliforniens Napa Valley och debatterade livligt frågan om och när genredigering i arvslinjen kunde tillåtas. Plötsligt lutade sig någon i gruppen fram och sade helt lugnt: ”Någon dag kommer vi kanske att anse det oetiskt att inte använda redigering i arvslinjen för att lindra mänskligt lidande.”

Denna kommentar vände upp och ner på vår diskussion, och jag tänker fortfarande på den varje gång jag träffar föräldrar eller bli-

PROLOG: VÅGEN

XIX

vande föräldrar som ställts inför de förödande effekterna av genetiska sjukdomar.

Medan vi diskuterar går CRISPR-forskningen vidare. Vid mitten av 2015 publicerade kinesiska forskare resultaten av ett experiment där de hade injicerat CRISPR i mänskliga embryon. Forskarna hade använt kasserade, icke livsdugliga embryon, men deras studie var ändå en viktig milstolpe: det första försöket någonsin att redigera DNA i människans arvslinje med stor precision.

Denna utveckling väcker välmotiverad oro. Men samtidigt kan vi inte bortse från de fantastiska medicinska möjligheter som genredigering ger oss när det gäller att hjälpa människor som lider av allvarliga genetiska sjukdomar. Tänk om en person som får veta att hon bär på den muterade kopian av HTT-genen, som nästan säkert leder till tidig demens, skulle ha tillgång till en CRISPR-baserad medicin som kunde eliminera DNA-mutationerna innan några symptom visar sig. Aldrig tidigare har sådana botemedel tyckts ligga så nära, och när vi debatterar genredigering i arvslinjen måste vi akta oss för att vända den allmänna opinionen mot CRISPR eller förhindra klinisk användning av genredigering utan ärftliga effekter.

Jag känner enorm entusiasm inför genredigeringens löften.

Framstegen inom CRISPR-forskningen fortsätter i rask takt i både universitetslaboratorier och nystartade bioteknologiska företag, de senare uppbackade av över en miljard dollar från investerare och riskkapitalbolag. En pådrivande faktor är de universitet och icke vinstdrivande grupper som förser forskare över hela världen med billiga, CRISPR-relaterade verktyg som gör att forskningen kan fortsätta utan hinder.

Men vetenskaplig utveckling kräver mer än forskning, investeringar och innovationer; det är också avgörande att allmänheten engagerar sig. Hittills har CRISPR-revolutionen till stor del utspelat

XX

SPRICKAN I SKAPELSEN

sig bakom stängda dörrar, i laboratorier och bioteknologiska företag.

Med denna bok, liksom på andra sätt, hoppas vi kunna lyfta fram denna omvälvande utveckling.

I del I av den här boken – ”Verktyget” – berättar Sam och jag om den spännande bakgrunden till CRISPR-tekniken, hur det hela började med studier av ett bakteriellt immunsystem och hur tekniken växte fram ur en decennielång strävan att utveckla metoder för att skriva om cellers DNA. I del två – ”Uppgiften” – utforskar vi aktuella och framtida tillämpningar av CRISPR på djur, växter och människor, och diskuterar de spännande möjligheter och stora utmaningar som ligger framför oss. Som läsaren kommer att märka använder vi min röst genom hela boken. Vi skrev boken tillsammans och omfattar båda de flesta av de åsikter som uttrycks. Men vi valde denna berättarform för klarhetens skull och för att ge en både bred och detaljerad bild av mina unika erfarenheter under åren.

Boken är inte avsedd som en regelrätt historia om CRISPR eller en uttömmande kronologi över genredigeringens tidiga utveckling.

Snarare har vi försökt lyfta fram några av de viktigaste framstegen och ge glimtar av hur vårt eget arbete smälte samman med andras forskning. Vi har tagit med referenser där det är motiverat, och vi hoppas att intresserade läsare också ska leta upp andra texter för att hitta mer information om de ämnen vi diskuterar. Slutligen vill vi ge vårt ödmjuka erkännande till de oräkneliga forskare som har haft en avgörande och ovärderlig betydelse för forskningen kring CRISPR och genredigering, och samtidigt framföra våra ursäkter till alla kollegor vars arbete vi inte hade utrymme att nämna.

Vi hoppas att den här boken ska skingra dimmorna kring ett spännande forskningsområde och inspirera läsaren att engagera sig.

En global diskussion om genredigering har redan inletts; det är en historisk debatt som handlar om ingenting mindre än vår världs

PROLOG: VÅGEN

XXI

framtid. Vågen är på väg. Låt oss paddla ut och möta den tillsammans.

DEL I.

VERKTYGET

1.

SÖK A NDE T EF T ER E T T BO T EMEDEL NYLIGEN HÖRDE JAG en otrolig historia som ger en slående bild av

genredigeringens löften och möjligheter. År 2013 brottades forskare vid National Institutes of Health (NIH) i USA med ett medicinskt mysterium. De studerade en sällsynt ärftlig sjukdom känd som WHIM-syndromet, och hade stött på ett offer vars tillstånd de helt enkelt inte kunde förklara. Hon hade diagnostiserats för sjukdomen tidigt i livet, men när forskarna från NIH träffade henne verkade den på något mirakulöst sätt ha försvunnit från hennes system.

WHIM, med endast några tiotal kända fall världen över, är en smärtsam, potentiellt dödlig immunbristsjukdom som gör livet mycket svårt för dem som har oturen att drabbas av den. Den orsakas av en liten mutation – en enda felaktig bokstav i de omkring sex miljarder bokstäver som en människas DNA rymmer totalt, vilket innebär en förändring på bara något dussin atomer. Denna minimala omvandling gör sjukdomens offer ytterst känsliga för infektioner av humant papillomvirus (HPV), som orsakar okontrollerbara vårtor på patientens hud och till sist kan utvecklas till cancer.

Det säger något om hur sällsynt sjukdomen är att den patient som först diagnostiserades med WHIM-syndromet på 1960-talet

4

SPRICKAN I SKAPELSEN

var samma person som NIH-forskarna träffade så många år senare.

I facklitteraturen är hon känd som WHIM-09, men jag ska kalla henne Kim. Kim hade lidit av WHIM ända sedan födseln, och under sitt liv hade hon tvingats till flera sjukhusvistelser på grund av allvarliga infektioner som berodde på sjukdomen.

2013 presenterade Kim – nu femtioåtta år – sig själv och sina två döttrar, både i tjugoårsåldern, för personalen vid NIH. De yngre kvinnorna visade typiska tecken på sjukdomen, men till sin förvåning upptäckte forskarna att Kim själv verkade helt frisk. Hon sade att hon i själva verket hade varit symptomfri i över tjugo år.

Den chockerande sanningen var att Kim, utan någon medicinsk behandling, hade blivit botad.

Forskarna utförde experiment för att förstå hur Kim av egen kraft hade kunnat övervinna sin livshotande sjukdom, och de hittade en del talande ledtrådar. Den muterade gen som var ansvarig för sjukdomen fanns fortfarande i celler som togs från hennes kind och hud, men i hennes blodceller var mutationen oförklarligt nog borta. När forskarna analyserade blodcellernas DNA närmare fann de något än mer anmärkningsvärt: en kopia av kromosom 2 saknade så mycket som trettiofem miljoner bokstäver av DNA, en sektion som rymde hela den muterade genen, kallad CXCR4. (Namn på gener skrivs med kursiv; de proteiner som de kodar för har normal stil. Så kodar till exempel genen HTT för ett protein kallat huntingtin; Huntingtons sjukdom orsakas av en mutation i HTT-genen.)

De omkring tvåhundra miljoner bokstäver av DNA som fanns kvar av kromosom 2 var omkastade huller om buller; det var som om en virvelstorm hade dragit fram genom kromosomen och lämnat dess beståndsdelar i en enda röra.

Dessa inledande resultat väckte en rad nya frågor. Hur hade DNA:t i Kims blodceller blivit så oregelbundet, när det överallt

SÖKANDET EFTER ETT BOTEMEDEL

5

annars i hennes kropp var normalt (bortsett från mutationen CXCR4)? Och hur kunde blodcellerna fortfarande vara vid liv och till och med fungera normalt, när kromosomen med CXCR4-genen var så illa skadad att 164 gener saknades? Människans genom eller arvsmassa – den fullständiga uppsättningen av all genetisk information i våra celler – rymmer tusentals gener som krävs för sådana vitala funktioner som DNA-replikation och celldelning, och det verkade nästan ofattbart att så många gener kunde försvinna utan skadliga konsekvenser.

Efter att ha genomfört en lång rad test började NIH-forskarna långsamt pussla ihop en förklaring till Kims oväntade tillfrisknande.

De kom fram till att en ensam cell i hennes kropp måste ha genomgått en ovanlig och för det mesta katastrofal händelse betecknad som kromotripsis – ett nyligen upptäckt fenomen som innebär att en kromosom plötsligt splittras och därefter repareras, med en kraftig omkastning av dess gener som följd. Effekterna i kroppen är vanligen harmlösa (om den skadade cellen dör omedelbart) eller allvarliga (om DNA som har arrangerats om aktiverar cancerframkallande gener).

Men i Kims kropp visade sig denna kromotripsis ha fått en helt annan effekt. Den muterade cellen växte inte bara normalt utan var också fri från den gen som orsakar WHIM-syndromet, eftersom den nu hade blivit kvitt den sjuka kopian av CXCR4.

Kims tur slutade emellertid inte där. NIH-forskarna fastställde att den lyckosamma cellen måste ha varit en hematopoetisk stamcell, en typ av stamcell som utgör ursprunget till alla blodceller i kroppen och har en nästan obegränsad potential att mångfaldigas och förnya sig själv. Denna cell hade fört vidare sin omarrangerade kromosom till alla sina dotterceller, så att Kims hela immunsystem till sist hade befolkats av friska nya vita blodceller utan CXCR4-

6

SPRICKAN I SKAPELSEN

mutationen. Denna händelsekedja – så osannolik att jag hade svårt att ta in det när jag lyssnade på en presentation av fallet – hade i praktiken raderat ut den sjukdom som plågat Kim sedan födseln.

Kim hade, som forskarna skrev i sin sammanfattning av fallet, blivit föremål för ett ”aldrig tidigare skådat naturexperiment”, i vilket en ensam stamcell genomgick en spontan förändring som befriade cellen och alla dess ättlingar från en sjuk gen. Det var kort och gott en välsignad slump – som kunde ha dödat Kim om den hade utvecklats på ett annat sätt, men som i stället troligen har räddat hennes liv.

För att verkligen förstå vilken osannolik slump det handlade om kan man föreställa sig den mänskliga arvsmassan som ett stort stycke mjukvara. I Kims fall innehöll mjukvaran en bokstav av felaktig kod bland de ungefär sex miljarder som hela programmet utgörs av. En programmerare som ville hitta felet skulle förstås inte slumpmässigt radera stora stycken kod och kasta om andra delar. På det sättet skulle det ursprungliga misstaget nästan säkert inte rättas till, samtidigt som det blinda försöket att åtgärda felet med största sannolikhet skulle skapa andra och större problem. Bara med en helt otrolig tur – mot odds på en på miljonen eller rentav en på miljarden – skulle man av en ren slump radera ett stycke som innehöll den felstavade koden och göra det på ett sätt som inte förstörde mjukvarans avgörande funktion. Detta var i ett nötskal vad som hade hänt i Kims genom – förutom att den blinda programmeraren i detta fall var naturen själv.

Men hur otroligt Kims fall än är finns det något än mer förbluffande: hon är inte ensam. Medan hon är det enda rapporterade fallet där en patient har botats genom att en kromosom spontant splittrats och reparerats, finns det gott om andra exempel i den vetenskapliga litteraturen på patienter som blivit helt eller delvis botade från en

SÖKANDET EFTER ETT BOTEMEDEL

7

genetisk sjukdom genom slumpmässig, spontan ”redigering” av genomet. På 1990-talet diagnostiserades till exempel två patienter i New York med en genetisk störning kallad svår kombinerad immunbrist (SCID), även känd som ”bubbelpojkens” sjukdom på grund av den sterila miljö som vissa barn har inneslutits i för att inte exponeras för smittämnen. Utan extrem isolering eller drastiska behandlingsformer dör patienter med sjukdomen vanligen före två års ålder. Men de två patienterna i New York var undantag från denna sorgliga regel; de förblev förvånansvärt friska under sin uppväxt och ända upp i vuxen ålder. Skälet i båda fallen, som forskarna konstaterade, var att patienternas celler spontant hade korrigerat den sjukdomsframkallande mutationen i en gen betecknad som ADA, och de hade gjort det utan störningar i resten av genen eller kromosomen.

Liknande fall av naturlig genredigering har botat andra genetiska sjukdomar, såsom Wiskott-Aldrichs syndrom (en sjukdom som så mycket som 10 till 20 procent av patienterna räddas från genom spontan genetisk korrigering) och en leversjukdom kallad tyrosinemi. I vissa hudsjukdomar kan förekomsten av genredigerade celler ses med blotta ögat. Sjukdomen iktyos, tidigare också kallad fiskfjällssjuka, ger till exempel de drabbade fläckar av röd och fjällig hud. Hudcellerna i dessa områden rymmer en genetisk mutation, medan hudcellerna i de omgivande, friska hudområdena har lyckats laga mutationen.

Men i allmänhet är oddsen för att botas spontant från en genetisk sjukdom mycket dåliga. De flesta patienter kommer aldrig att uppleva miraklet att få sina genom förändrade på exakt rätt sätt, i rätt typ av celler och i rätt vävnader. Naturlig genredigering förblir en anomali – intressanta medicinska fall i vilka en handfull patienter har vunnit det genetiska lotteriet, och ingenting mer.

8

SPRICKAN I SKAPELSEN

Men tänk om genredigering inte bara var en spontan händelse?

Tänk om läkarna hade ett sätt att laga de skadliga mutationer som orsakar WHIM-syndromet, svår kombinerad immunbrist, tyrosinemi eller andra genetiska sjukdomar?

För mig själv och många andra forskare var sådana fall som Kim spännande inte bara för att de visade den naturliga genredigeringens läkande förmåga, utan också för att de kastade ljus över en potentiell väg för medicinska ingrepp: ett sätt att upphäva effekterna av genetisk sjukdom genom att rationellt och avsiktligt korrigera felstavningar i genomet. Dessa berättelser om tursamma fall visade att avsiktlig genredigering skulle vara möjlig om forskarna bara hade den genetiska kunskap – och de bioteknologiska verktyg – som krävdes för att gå i land med det.

I flera decennier, långt innan jag gav mig in på området, hade kvinnor och män inom livsvetenskaperna arbetat för att uppnå denna kunskap och utveckla sådana verktyg. Forskare drömde i själva verket om terapeutisk genredigering långt innan de kände till att naturen hade gett ledtrådar om hur en sådan teknik kunde skapas. Men för att möjliggöra denna typ av teknik måste forskarna förstå genomet självt: vad det bestod av, hur det var uppbyggt och – framför allt – hur det kunde bearbetas och modifieras. Endast med denna grundläggande kunskap kunde de och deras vetenskapliga efterföljare ta de första, stapplande stegen mot att hjälpa alla människor som till skillnad från Kim inte hade förmågan att bota sig själva.

Genomet – en term myntad 1920 av den tyske botanikern Hans Winkler och troligen avsedd som en sammandragning av gen och kromosom – syftar på hela den uppsättning av genetiska instruktioner som återfinns i en cell. Genomet, som till största delen är

SÖKANDET EFTER ETT BOTEMEDEL

9

DNA: livets språk

identiskt hos alla celler i en given organism, bortsett från enstaka mutationer, talar om för allt levande hur det ska växa, upprätthålla sig självt och överföra gener till avkomman. Genomet i en viss organism säger åt den att utveckla fenor och gälar som gör att den kan röra sig och andas under vattnet; genomet i en annan organism instruerar den att frambringa löv och klorofyll som gör att den kan utvinna energi ur solljuset. Våra inneboende fysiska egenskaper – syn, längd, hudfärg, sjukdomsanlag och så vidare – är resultatet av information som finns kodad i våra genom.

Genomet består av en molekyl som kallas deoxiribonukleinsyra, eller DNA, som är uppbyggd av bara fyra olika byggstenar.

De betecknas som nukleotider och utgör DNA:s välkända bokstäver: A, G, C och T, förkortningar för de kemiska grupperna (eller baserna) adenin, guanin, cytosin och tymin, som särskiljer de fyra

10

SPRICKAN I SKAPELSEN

föreningarna. Bokstäverna i dessa molekyler är sammanlänkade i långa strängar, som förenas parvis och bildar en spiral, den välkända dubbelhelixstrukturen hos DNA. Dubbelspiralen liknar en stege som vridits till en lång, skruvad slinga, genom att två strängar av DNA vrider sig runt varandra längs en centralaxel. Den ryggrad av socker och fosfat som sträcker sig genom respektive sträng finns på spiralens utsida och bildar tillsammans DNA-stegens två sidostänger. Genom detta arrangemang hamnar de fyra olika baserna på spiralens insida, så att de riktas inåt och möts i mitten; de utgör stegens pinnar. En elegant aspekt av strukturen är de kemiska interaktioner som håller ihop de två strängarna vid varje stegpinne, som ett slags molekylärt lim: bokstaven A från en sträng paras alltid ihop med T på den andra strängen, och G paras alltid ihop med C. Dessa kombinationer är kända som baspar.

Dubbelspiralen ger en vacker bild av ärftlighetens molekylära underlag: det är på detta sätt som en förhållandevis enkel kemikalie som DNA kan överföra genetisk information till två dotterceller när cellen delas, och det är på detta sätt som information kan föras vidare till alla celler i en växt eller ett djur i dess helhet. I kraft av molekylens två strängar och de regler som styr hur dessa strängar sätts samman (A med T, G med C), fungerar varje sträng som en perfekt mall för sitt matchande par. Strax innan en cell reproduceras skiljs de två strängarna åt av ett enzym som delar dubbelspiralen längs mitten, ungefär som när ett blixtlås öppnas. Efter det bygger andra enzymer en ny partnersträng för respektive ensam sträng, helt enkelt genom att använda samma regler för basparning, med två exakta kopior av den ursprungliga dubbelspiralen som resultat.

Min egen första kontakt med DNA:s dubbelspiral sammanföll med min upptäckt att forskare kunde studera molekyler som var för

SÖKANDET EFTER ETT BOTEMEDEL

11

Strukturen i DNA:s dubbelspiral

små för att kunna ses ens med de mest kraftfulla ljusmikroskop. En dag när jag kom hem från skolan någon gång i tolvårsåldern hittade jag ett vältummat exemplar av James Watsons The Double Helix på min säng. (Min pappa köpte ibland böcker åt mig på antikvariat för att se om de slog an en sträng.) Jag trodde att det var en deckare, så jag lade undan boken några veckor innan jag en regnig lördagseftermiddag försjönk i dess sidor. Och det var ju en deckare! När jag läste Watsons otroliga berättelse om sitt forskningssamarbete med Francis Crick (med utgångspunkt i avgörande data insamlade av Rosalind Franklin), som ledde fram dem till upptäckten av denna

12

SPRICKAN I SKAPELSEN

enkla och vackra molekylstruktur, kände jag de första ansatserna till ett intresse som senare skulle komma att leda in mig på en liknande väg. (Många år senare kickstartade jag min egen forskarbana genom att bestämma några av de första tredimensionella strukturerna hos långt mer komplexa RNA-molekyler.)

De närmaste åren efter Watsons och Cricks upptäckt försökte forskarna förstå hur denna molekyls struktur och ganska enkla kemiska ingredienser kunde koda information och förklara det biologiska livets alla mångskiftande fenomen. DNA visade sig ha stora likheter med ett hemligt språk; varje specifik bokstavsföljd ger cellen instruktioner om att framställa ett visst protein. Proteinerna i sin tur svarar sedan för de flesta avgörande funktioner i kroppen, som att bryta ner föda, registrera ljus och känna igen och förstöra sjukdomsalstrande organismer.

För att omvandla instruktionerna i DNA till proteiner använder celler en avgörande – och närbesläktad – förmedlande molekyl kallad ribonukleinsyra, eller RNA, som framställs ur DNA-mallen genom en process kallad transkription. RNA har tre bokstäver gemensamma med DNA, men i RNA ersätts bokstaven T (som står för tymin) med bokstaven U (som står för uracil). Det socker som bildar ryggraden i RNA innehåller dessutom en extra syreatom jämfört med sockret i DNA (därav namnet deoxiribonukleinsyra).

RNA fungerar som en budbärare som för ut information från cellens kärna, där DNA finns lagrat, till cellens yttre delar, där proteiner framställs. I en process som kallas translation (översättning) använder cellerna långa strängar av RNA framställda av särskilda DNA-segment – kodavsnitt som kallas gener – för att konstruera individuella proteinmolekyler. Tre hoplästa bokstäver av RNA motsvarar en aminosyra, och aminosyror är proteinernas byggstenar.

Generna och de proteiner som de framställer skiljer sig åt i fråga

SÖKANDET EFTER ETT BOTEMEDEL

13

Molekylärbiologins centrala dogm

om sekvensen av nukleotider (i gener) och aminosyror (i proteiner).

Hela detta flöde av genetisk information – från DNA via RNA till protein – är känt som molekylärbiologins centrala dogm, och det är det språk som används för att kommunicera och uttrycka allt liv.

Storleken på ett genom och antalet gener som det innehåller varierar starkt mellan livets olika riken. De flesta virus har till exempel bara några få tusen bokstäver i sitt DNA (eller sitt RNA, för vissa virusgenom innehåller inget DNA) och en handfull gener.

I kontrast till detta är genomen hos bakterier flera miljoner bokstäver långa och innehåller omkring 4 000 gener. Genomen hos flugor innehåller omkring 14 000 gener utspridda över hundratals miljoner DNA-baspar. Människans genom omfattar omkring 3,2 miljarder DNA-bokstäver, med omkring 21 000 proteinkodande gener. Intressant nog är storleken på ett genom inte alltid en indikation på hur komplex en organism är; det mänskliga genomet är ungefär lika långt som genomet hos en mus eller en groda, omkring

14

SPRICKAN I SKAPELSEN

tio gånger mindre än salamanderns genom och över hundra gånger mindre än vissa växters genom.

Olika arter paketerar sina genom på högst olika sätt. Medan de flesta bakteriegenom finns inuti cellen som ett enda sammanhängande stycke DNA, är människans genom sammansatt av tjugotre olika delar, kallade kromosomer, som varierar i längd från 50 till 250 miljoner bokstäver. I likhet med cellerna hos nästan alla däggdjur rymmer mänskliga celler normalt två kopior av varje kromosom, en från fadern och en från modern. Varje förälder bidrar med tjugotre kromosomer, vilket ger avkomman totalt fyrtiosex kromosomer. (Det finns undantag från denna regel; individer med Downs syndrom har exempelvis en tredje kopia av kromosom 21.) Hela uppsättningen kärnkromosomer återfinns i nästan varje cell i kroppen (röda blodceller är ett viktigt undantag, då de saknar kärna), men kärnan är inte den enda plats i cellen där DNA förekommer. Människans genom rymmer också en separat minikromosom – bara sextontusen DNA-bokstäver – som är lokaliserad i mitokondrierna, cellens energiproducerande batterier. Till skillnad från den genetiska kod som återfinns i andra kromosomer ärvs mitokondriskt DNA uteslutande från modern.

Mutationer i något av kärnans tjugotre kromosompar eller i den mitokondriska kromosomen kan orsaka genetiska sjukdomar. Den enklaste mutationen är en substitution, när en nukleotid ersätts av en annan, vilket kan störa genen så att den framställer ett defekt protein. Ett exempel är sickelcellanemi, en genetisk blodsjukdom, där den sjuttonde bokstaven i en gen kallad betaglobin har muterats från ett A till ett T. Vid översättning till aminosyror får denna mutation aminosyran glutamat att ersättas av aminosyran valin i ett centralt område av proteinet hemoglobin, den viktigaste syretransporterande komponenten i de röda blodcellerna. Denna lilla förändring i

SÖKANDET EFTER ETT BOTEMEDEL

15

proteinet – en skillnad på bara tio atomer, av mer än åttatusen totalt – får allvarliga konsekvenser. De muterade hemoglobinmolekylerna klibbar ihop och bildar onormala trådar som förändrar formen på de röda blodcellerna, vilket leder till anemi, kraftiga skelettsmärtor och ökad risk för slaganfall och infektioner.

Sickelcellanemi är ett exempel på en recessiv genetisk sjukdom.

Detta betyder att båda kopiorna av en individs HBB-gen måste bära på mutationen för att personen ska drabbas; om bara en kopia har förändringen kan genen som saknar mutationen tillverka tillräckligt mycket normalt hemoglobin för att övervinna de negativa effekterna av det muterade hemoglobinet. Personer med bara en muterad kopia av HBB-genen bär emellertid fortfarande på sickelcellanlaget, och medan de vanligen själva inte drabbas av sjukdomen kan de överföra den muterade genen till sina barn.

Andra genetiska sjukdomar är dominant ärftliga, det vill säga att det räcker med en enda kopia av den muterade genen för att orsaka sjukdomen. Ett exempel är WHIM-syndromet, där den tusende bokstaven i genen CXCR4 är muterad från C till T; den muterade genen skapar ett hyperaktivt protein som dominerar över den friska genens funktioner.

Sickelcellanemi och WHIM-syndromet är båda exempel på genetiska sjukdomar orsakade av mutationer i form av en enkel substitution (när en bokstav av DNA felaktigt byts ut mot en annan). Men genetiska sjukdomar kan också uppkomma genom infogningar eller raderingar i DNA. Så beror till exempel den neurodegenerativa störning som kallas Huntingtons sjukdom på en mutation av HTT-genen där tre bokstäver i DNA upprepas för många gånger. Detta får hjärnceller att tillverka onormala proteiner som gradvis leder till cellskador. Omvänt är det raderingar som ligger bakom den vanligaste typen av cystisk fibros, en livshotande

16

SPRICKAN I SKAPELSEN

genetisk sjukdom som framför allt drabbar lungorna; raderandet av tre bokstäver av genetisk kod i CFTR-genen resulterar i ett protein som saknar en viktig aminosyra och inte fungerar som det ska.

Andra sjukdomar uppkommer när avsnitt av en gen kastas om (det vill säga uppträder i omvänd ordningsföljd) eller när kromosomer helt eller delvis dubbleras eller raderas.

Vi känner till de genetiska orsakerna till många sjukdomar tack vare en relativt ny upptäckt: DNA-sekvensering, en process som gör det möjligt för forskare att läsa och registrera innehållet i den mänskliga arvsmassan bokstav för bokstav. Efter att de första sekvenseringsmetoderna hade utvecklats på 1970-talet inledde forskare ett mödosamt arbete för att spåra upp och identifiera de grundläggande genetiska orsakerna till de då bäst kända ärftliga sjukdomarna. Ett stort språng tog detta fält när Human Genome Project slutfördes. Med början 1990 hade forskare över hela världen gått samman för att sekvensera hela det mänskliga genomet.

Detta omfattande projekt underlättades av ny teknik som gjorde att forskarna kunde klona stora stycken mänskligt DNA i jästsvamp, liksom av laboratorier med stark ökad automatisering och utveckling av komplexa datoralgoritmer som hjälpte till att analysera data från sekvenseringen. År 2001, efter enorma arbetsinsatser och till en kostnad av över tre miljarder dollar, publicerades en första version av människans genom.

Efter slutförandet av detta projekt för att kartlägga det mänskliga genomet har processen att sekvensera DNA och hela genom blivit förbluffande snabb, billig och effektiv. Forskarna har identifierat långt över fyratusen olika typer av DNA-mutationer som kan orsaka genetiska sjukdomar. DNA-sekvensering kan säga människor om de löper förhöjd risk att utveckla vissa typer av cancer, och den kan bidra till att skräddarsy behandlingar anpassade till

SÖKANDET EFTER ETT BOTEMEDEL

17

olika patienters särskilda genetiska bakgrund. Nu när kommersiell analys av DNA-sekvenser har blivit en vida spridd metod och kostar bara några hundra dollar per test, har miljoner av enskilda individer dessutom valt att låta analysera sitt eget genom – allt som krävs är att ta ett salivprov och posta det till något laboratorium. Den explosion av data som blivit resultatet har hjälpt forskare att hitta kopplingar mellan tusentals genvarianter och vissa fysiska egenskaper och beteenden.

Men även om genomsekvensering representerar ett enormt utvecklingssteg i studiet av genetiska sjukdomar, handlar det framför allt om ett diagnostiskt verktyg, inte en form av behandling. Den har låtit oss se hur genetiska sjukdomar skrivs på DNA:s språk, men ger oss i sig ingen möjlighet att förändra detta språk. Att lära sig läsa är trots allt något helt annat än att lära sig skriva. För det senare behöver forskarna helt andra verktyg.

Lika länge som genetiska sjukdomar har varit kända har forskare drömt om DNA-baserade sätt att behandla och bota sådana sjukdomar. Samtidigt som vissa forskare började lokalisera de yttersta orsakerna till genetiska störningar, var andra intensivt upptagna av att utveckla nya tekniker för att behandla dessa sjukdomar – inte bara genom att ge patienter medicin för att tillfälligt lindra de negativa effekterna av en muterad gen, utan genom att reparera genen själv för att upphäva sjukdomen permanent. För att bara ta ett, sorgligt vanligt exempel: sickelcellanemi behandlas i dag med återkommande blodtransfusioner, medicinen hydroxiurea och benmärgstransplantationer. Vore det inte bättre att rikta in sig på själva den DNA-mutation som utgör den bakomliggande orsaken?

Den bästa lösningen för att behandla genetiska sjukdomar, som dessa tidiga forskare visste, vore att laga den defekta genen, genom

18

SPRICKAN I SKAPELSEN

att avsiktligt göra vad naturen av en slump hade gjort när den botade Kim och andra lyckligt lottade patienter. Men för dessa forskare framstod det som en omöjlighet att behandla genetiska sjukdomar genom att skriva om den muterade genetiska koden. Att reparera en defekt gen var som att hitta en nål i en höstack och sedan avlägsna nålen utan att rubba ett enda strå. Men forskarna misstänkte samtidigt att de kunde åstadkomma en liknande förändring genom att lägga till hela ersättningsgener i skadade celler. Frågan var hur de skulle kunna leverera denna värdefulla last till ett drabbat genom.

Virus har en kuslig förmåga att foga in ny genetisk information i bakteriecellers DNA, vilket blev en inspiration för dessa pionjärer inom genterapi. De insåg att de kunde använda virus för att leverera terapeutiska gener till människor. De första rapporterade försöken utfördes mot slutet av 1960-talet av Stanfield Rogers, en amerikansk läkare som hade studerat ett papillomvirus som orsakar vårtor hos kaniner. Rogers var särskilt intresserad av en aspekt av detta virus: det fick kaniner att överproducera arginas, ett enzym som deras kroppar använder för att neutralisera arginin, en skadlig aminosyra.

De sjuka kaninerna hade mycket mer arginas i sitt system än friska kaniner, och mycket mindre arginin. Rogers upptäckte dessutom att forskare som hade arbetat med viruset likaså hade lägre nivåer än normalt av arginin i sitt blod. Dessa forskare verkade ha ådragit sig infektionen från kaninerna, och infektionen hade lett till varaktiga förändringar även i forskarnas kroppar.

Rogers misstänkte att viruset förde över en gen för förhöjd arginasproduktion till cellerna. När han grubblade över virusets förmåga att överföra sin genetiska information så effektivt, började han undra om en specialtillverkad version skulle kunna leverera andra, nyttiga gener. Många år senare erinrade sig Rogers: ”Det stod klart att vi hade upptäckt en terapi – nu behövdes bara en sjukdom!”

SÖKANDET EFTER ETT BOTEMEDEL

19

Det dröjde inte länge innan Rogers hittade en sjukdom som han kunde testa sin teori på. Bara några år senare upptäcktes en genetisk sjukdom kallad hyperargininemi hos två tyska flickor. I likhet med kaniner infekterade av papillomvirus hade dessa patienter onormala nivåer av arginin – men i stället för att vara ovanligt låga var deras nivåer av aminosyran extremt höga. Patienternas gen för arginasproduktion – den gen som Rogers misstänkte överfördes av papillomviruset – var antingen muterad eller saknades helt.

Symptomen vid hyperargininemi är förskräckliga: de inbegriper allt kraftigare spasmer, epilepsi och svår mental efterblivenhet.

Men det fanns en chans att ett tidigt ingrepp, särskilt hos den yngre av de två tyska patienterna, skulle kunna avvärja de värsta effekterna av sjukdomen. Rogers och hans tyska medarbetare gav flickorna papillomvirus i terapeutiskt syfte, genom att injicera stora doser av renodlat kaninvirus direkt i deras blodomlopp.

Tyvärr blev Rogers experimentella genterapi en besvikelse, inte bara för honom utan framför allt för hans patienter och deras familjer. Injektionerna hade ingen större effekt på någon av flickorna, och Rogers själv kritiserades allmänt för att ha genomfört en behandling som många forskare ansåg lättsinnig och förhastad. Senare forskning skulle visa att kaninernas papillomvirus, i strid med Rogers teori, inte ens innehöll en gen för arginas och därför aldrig kunde ha haft någon effekt som behandling av hyperargininemi. Även om Rogers aldrig försökte sig på genterapi igen, innebar hans metod att föra över gener genom att använda virus som bärare – eller vektorer, som forskarna kallar dem – en revolution inom biologin. Experimentet misslyckades, men dess grundantagande visade sig hållbart, och virala vektorer är fortfarande ett av de mest effektiva sätt vi känner till för att föra in gener i en cells genom och på så sätt förändra den genetiska koden hos levande organismer.

20

SPRICKAN I SKAPELSEN

Genterapi med användning av virala vektorer

Det är vissa specifika egenskaper som gör virus till effektiva vektorer. För det första har virus under evolutionens gång blivit otroligt effektiva på att infiltrera celler av alla typer. Så länge som det har funnits liv har organismer från alla riken – bakterier, växter, djur – tvingats kämpa med parasitiska virus vars enda mål är att ta kontroll över celler, infoga sitt eget DNA i dem och lura cellerna att skapa fler exemplar av viruset. Under enorma tidsrymder har virusen lärt sig att utnyttja nästan varje svag punkt i cellernas försvarssystem, och de har finslipat strategier för att tömma sin genetiska last i cellens inre. Virala vektorer är häpnadsväckande tillförlitliga verktyg; forskare som arbetar med dem kan få in gener i de avsedda cellerna med nästan hundraprocentig effektivitet. För de forskare som först började använda dem terapeutiskt var virala vektorer den perfekta trojanska hästen.

Virus vet inte bara hur de ska få in sitt DNA i en cell utan också hur de ska få den nya genetiska koden att fastna. Under 1920- och 1930-talet, när bakteriebaserad genetisk forskning inleddes, förbryllades forskarna av bakterievirusens förmåga att dyka upp till synes från ingenstans och orsaka infektioner. Senare forskning visade

SÖKANDET EFTER ETT BOTEMEDEL

21

att dessa virus i själva verket kunde foga in sitt genom i bakteriens kromosom och ligga på lur där, oupptäckta, tills förhållandena blivit precis rätt för att starta en aggressiv infektion. Retrovirus, en stor klass av virus som inbegriper humant immunbristvirus (hiv), gör samma sak i människor, genom att foga in sitt genetiska material i infekterade cellers genom. Denna skadliga egenskap gör retrovirus särskilt svåra att utrota, så till den grad att de har lämnat ett mycket stort avtryck på vår art. Så mycket som åtta procent av människans genom – över 250 miljoner bokstäver av DNA – är en kvarleva av retrovirus som för tusentals år sedan infekterade föregångare inom vårt släkte.

Efter de första genterapeutiska försöken på 1960-talet tog fältet ny fart tack vare en revolution baserad på rekombinant DNA – en övergripande term för genetisk kod framställd i ett laboratorium i stället för av naturen (även kallat hybrid-DNA). Med användning av nya bioteknologiska verktyg och nya biokemiska metoder utvecklade forskare under 1970- och 1980-talen sätt att klippa och klistra med DNA-segment i genom och isolera specifika gensekvenser. Det gjorde att de kunde föra in terapeutiska gener i virus och avlägsna farliga gener så att virusen inte längre skadade infekterade celler.

Forskarna hade i princip förvandlat dessa virus till harmlösa missiler, konstruerade för att leverera sin genetiska last till det önskade målet, men inte mycket mer.

Mot slutet av 1980-talet, efter att ombyggda retrovirus med framgång hade använts för att föra in labbtillverkade gener i möss, började kapplöpningen för att testa genterapi kliniskt. Vid den här tiden befann jag mig vid Harvard, sysselsatt med forskning för min doktorsavhandling i biokemi, och jag minns hur jag och mina kamrater i laboratoriet diskuterade nyheten att French Anderson och hans kollegor vid National Institutes of Health hade kommit

22

SPRICKAN I SKAPELSEN

först över mållinjen. De utvecklade en lovande vektor spetsad med ett friskt exemplar av genen adenosindeaminas (ADA), som är muterad hos patienter drabbade av ADA-SCID (svår kombinerad immunbrist). Deras mål var att använda genterapi för att permanent infoga den icke-muterade ADA-genen i blodcellerna hos patienter med ADA-SCID, så att de skulle kunna framställa det protein som saknades – ett steg som Anderson och hans kollegor hoppades skulle bota sjukdomen. Resultaten av detta första kliniska försök var tyvärr oklara; det ombyggda viruset skadade inte de två mottagarna, men dess effektivitet var svår att avgöra. Bägge patienterna hade till exempel ökade nivåer av livskraftiga immunceller efter behandlingen, men denna förbättring kan ha berott på andra terapier som de samtidigt undergick. Och eftersom bara ett mycket litet antal av patienternas celler faktiskt tycktes ha mottagit den friska ADAgenen, verkade det som om viruset kanske inte var så effektivt på att foga in gener som forskarna hade hoppats.

Efter detta tidiga, mindre övertygande test för nästan tre decennier sedan har genterapin emellertid gjort storartade framsteg. Förbättringar i utformningen av virala vektorer och metoderna för att leverera dem har lett till extremt uppmuntrande resultat i behandlingen av ADA-genen hos dussintals SCID-patienter, och en kommersiellt tillgänglig version, Strimvelis, är godkänd i Europa och kommer troligen snart att godkännas i USA. Därtill kommer att listan över sjukdomar som kan bli föremål för behandling har utökats dramatiskt, tack vare de omkring tvåtusen genterapeutiska försök som hittills har utförts eller inletts. Till dessa sjukdomar hör nu andra monogena ärftliga sjukdomar som cystisk fibros, Duchennes muskeldystrofi, blödarsjuka, vissa former av blindhet och ett ökande antal hjärt-kärlsjukdomar och neurologiska sjukdomar.

Samtidigt har vi det spirande fält som utgörs av immunterapi mot

SÖKANDET EFTER ETT BOTEMEDEL

23

cancer, där tumörbekämpande celler laddas med gener som riktar sig mot tumörspecifika molekyler. Denna metod har hälsats som ett av de mest lovande genombrotten inom behandlingen av cancer och som ett bevis för att genterapi fortfarande har mycket att bidra med på medicinens område.

Men trots all entusiasm har genterapi inte blivit den patentlösning som forskare och läkare hoppades på; faktum är att den ibland verkar ha gjort mer skada än nytta. Fältet skakades 1999 när en patient dog efter att ha drabbats av en häftig immunreaktion på en kraftig dos virala vektorer. Vid det laget var jag fakultetsmedlem vid Yale University och djupt engagerad i projekt med syfte att studera hur virala RNA-molekyler tar kontroll över cellers proteintillverkande maskineri. Även om mitt forskningsområde låg långt från genterapins fält gjorde nyheterna om detta katastrofala resultat starkt intryck på mig. Men samtidigt som jag blev nedslagen kände jag mig än mer beslutsam att arbeta för att uppnå en djupare förståelse av virus och celler.

En annan incident inträffade i början av 2000-talet, när fem patienter i ett genterapeutiskt försök med X-bunden SCID utvecklade leukemi, en cancer i benmärgen. Cancern berodde på att retroviruset oavsiktligt aktiverat en onkogen – ett cancerorsakande arvsanlag – som fick celler att mångfaldigas okontrollerat. Denna händelse underströk de ofrånkomliga riskerna med att ge patienter stora doser av ett främmande ämne och slumpmässigt klämma in några tusen bokstäver av DNA i deras genom. Jag minns att jag frågade mig själv om denna typ av klinisk forskning, trots att den principiellt var så spännande, helt enkelt var alltför riskabel.

Genterapi är dessutom till själva sin natur verkningslös när det gäller en lång rad olika genetiska sjukdomar som inte beror på att gener saknas eller är defekta. Sådana sjukdomar kan inte botas bara

24

SPRICKAN I SKAPELSEN

genom att leverera nya gener till cellerna. Ta till exempel Huntingtons sjukdom, där den förändrade genen producerar ett onormalt protein som helt överskuggar effekten av den andra, friska kopian av genen. Eftersom den muterade genen dominerar över genen utan mutation, skulle enkel genterapi – att lägga till ytterligare en normal kopia av genen med hjälp av ett ombyggt virus – inte ha någon effekt på Huntingtons sjukdom eller andra dominanta störningar.

Vad läkarna verkligen behövde, för dessa och många andra svårbehandlade genetiska sjukdomar, var ett sätt att reparera problematiska gener, inte bara ersätta dem. Om de kunde laga den defekta kod som orsakade problemet skulle de kunna angripa såväl recessiva som dominanta sjukdomar utan att behöva oroa sig för konsekvenserna av att foga in en gen på fel plats.

Denna möjlighet hade fascinerat mig alltsedan jag inledde min karriär. I början av 1990-talet, när jag hade tagit min doktorsexamen och lämnat Harvard, diskuterade jag denna idé under många kvällar i laboratoriet vid University of Colorado i Boulder, där jag bedrev forskning som postdok. På den tiden brukade jag och min vän och labbkollega Bruce Sullenger diskutera allt från 1992 års presidentval – jag gillade Paul Tsongas, han föredrog Bill Clinton – till olika strategier för genterapi. En idé som vi bollade med var möjligheten att RNA-molekyler, den förmedlande länken mellan DNA och proteiner i cellerna, skulle kunna redigeras för att laga mutationer som de förde med sig från DNA:t. Detta var i själva verket ämnet för Bruces forskningsprojekt. Ibland diskuterade vi också en annan möjlighet: att redigera själva källkoden för sådana defekta RNA-molekyler – det vill säga genomets DNA. Detta skulle förändra allt, ansåg vi båda. Frågan var bara om det någonsin skulle bli mer än ett luftslott.

SÖKANDET EFTER ETT BOTEMEDEL

25

Under hela 1980-talet, medan vissa forskare förfinade terapier baserade på genöverföring via virus, utforskade andra enklare metoder för att omvandla däggdjursceller med hjälp av DNA som preparerats i laboratoriet. Dessa elementära metoder var främst avsedda för forskning, men under decenniets gång började forskarna även undersöka möjligheten att använda dem terapeutiskt i mänskliga celler.

Dessa tillvägagångssätt hade flera viktiga fördelar jämfört med mer komplicerade tekniker för genöverföring. Till att börja med var de mycket snabbare; i stället för att göra sig allt besvär med att packa in gener i ombyggda virus kunde forskarna injicera sitt labbtillverkade DNA direkt i celler eller låta celler absorbera det genom att doppa dem i en särskild blandning av DNA och kalciumfosfat.

För det andra, även om gener inte infogades i cellernas genom med hjälp av virus, kunde cellerna smälta samman det främmande DNA:t med sitt eget – om än inte särskilt effektivt.

Möss var ofta de första försöksdjuren för dessa tekniker, och forskarna häpnade över hur effektiva de nya metoderna var på dessa små varelser. Genom att injicera nytt DNA i befruktade musägg och sedan implantera dessa ägg i honmöss fann forskarna att de permanent kunde foga in främmande DNA i nästa generation och framkalla synliga förändringar hos de djur som utvecklades på detta sätt. Dessa framsteg innebar att varje gen som forskarna kunde isolera och klona i labbet kunde testas och undersökas; genom att foga in genen i celler kunde forskarna observera dess effekter och förstå genens funktioner bättre. Även om mitt eget arbete vid den här tiden var inriktat på att utforska RNA-molekylers former och funktioner, kunde jag förstå att implikationerna av denna teknik var enorma.

Frågan var på vilket sätt DNA egentligen letade sig in i genomet.

Mario Capecchi, professor vid University of Utah, undersökte

26

SPRICKAN I SKAPELSEN

problemet i början av 1980-talet, efter en förbryllande observation: När många kopior av en gen fogades in i genomet var integrationsmönstret motsatsen till den slumpartade bild man kunde ha förväntat sig. I stället för genkopior fördelade huller om buller i genomets olika kromosomer fann Capecchi att generna alltid var samlade i ett eller ett fåtal områden, med många gener som överlappade varandra, som om de hade förts ihop avsiktligt. Det var i själva verket exakt vad som hade hänt, kom han fram till.

Vad Capecchi hade observerat var effekterna av en process betecknad som homolog rekombination – ett välkänt fenomen vid den här tiden, men inte något han förväntat sig att få se i detta experiment. Det mest välkända exemplet på homolog rekombination äger rum vid bildandet av ägg- och spermieceller, när de två uppsättningar av kromosomer som vi ärver från våra föräldrar skärs ner till bara en, som ska kombineras med en annan uppsättning under den sexuella reproduktionen. I denna eliminationsprocess väljer cellerna ut en blandning av kromosomer från fadern och modern, varefter varje par av kromosomer ägnar sig åt sin egen version av sex, i det att de utväxlar stora stycken av DNA på ett sätt som ökar den genetiska mångfalden. Trots den svindlande komplexiteten när miljontals DNA-bokstäver blandas, paras ihop och sätts samman på nytt, kan celler göra detta felfritt genom att använda sig av homolog rekombination. Samma process äger rum i livets alla riken; bakterier utbyter till exempel genetisk information genom homolog rekombination, och biologer har i åratal utnyttjat homolog rekombination för att utföra genetiska experiment i jästsvamp.

Men Capecchis upptäckt att däggdjursceller som odlats i laboratoriet likaså ägnade sig åt homolog rekombination var omvälvande.

Som han nämnde i slutet av sin artikel från 1982: ”Det blir intressant att se om vi kan utnyttja [de inblandade enzymerna] för att genom

SÖKANDET EFTER ETT BOTEMEDEL

27

homolog rekombination ’rikta’ en gen mot en specifik plats i en kromosom.” Homolog rekombination skulle med andra ord kunna göra det möjligt för forskarna att med precision klistra in gener på lämpliga platser i genomet – en dramatisk förbättring jämfört med det slumpartade infogandet av gener med hjälp av virus. Och ännu bättre var att tekniken kunde låta forskarna skriva över defekta gener genom att helt enkelt stoppa in friska ersättningsgener direkt på platsen för mutationen.

Bara tre år efter Capecchis undersökning blev denna möjlighet verklighet när en uppmärksammad artikel publicerades av Oliver Smithies och hans kollegor. I sitt arbete med mänskliga celler utvunna ur blåstumörer hade de tagit sig för att ersätta cellernas hembakade kopior av betaglobingenen med en konstgjord, rekombinant version som konstruerats i labbet. Otroligt nog fungerade det. Utan att forskarna behövde ta till några finurliga trick – vad de gjorde, helt bokstavligen, var att blanda DNA med kalciumfostat och spruta det på cellerna – internaliserade en del av cellerna detta främmande DNA och parade ihop de DNA-sekvenser som tillverkats i labbet med matchande DNA-sekvenser i genomet, åtföljt av en del molekylär gymnastik för att byta ut det gamla och ersätta det med det nya.

Celler verkade alltså kunna göra det mesta av grovjobbet med att modifiera sina genom alldeles på egen hand. Detta innebar att forskarna kunde leverera gener på ett mer varsamt sätt, utan att använda sig av virus för att klämma in nytt DNA i genomet. Genom att lura en cell att tro att det rekombinanta DNA:t bara var en extra kromosom som behövde paras ihop med en matchande gen i cellens genom, kunde forskarna se till att det nya DNA:t kombinerades med den existerande, inbyggda genetiska koden genom homolog rekombination.

28

SPRICKAN I SKAPELSEN

Forskarna döpte denna nya metod för genbearbetning till ”riktad genmodifiering” (gene targeting). I dag känner vi den under ett annat namn: genredigering (gene editing).

De möjligheter som denna teknik öppnade för den genetiska forskningen var lockande. Men Smithies visste att homolog rekombination också kunde användas som en behandlingsmetod.

Om forskarna kunde utföra en liknande, riktad genmodifiering i blodstamcellerna hos en patient drabbad av sickelcellanemi, skulle den muterade betaglobingenen kunna ersättas med den normala, friska sekvensen. Hans upptäckt, ännu bara en experimentell metod, skulle någon dag kunna användas för att bota sjukdomar.

Andra laboratorier skyndade till för att bli först med att förfina denna genmodifieringsteknik. Till dem hörde Capecchis laboratorium. År 1986, under mitt andra år som doktorand, visade han att

Genredigering via homolog rekombination

SÖKANDET EFTER ETT BOTEMEDEL

29

homolog rekombination hade tillräckligt stor precision för att laga till och med enskilda mutationer i genomet och korrigera enzymbrist i celler. Två år senare presenterade han en generell strategi för att angripa varje gen i genomet vars underliggande sekvens var känd.

Han föreslog också att homolog rekombination kunde användas inte bara för att korrigera eller reparera gener, utan också för att inaktivera dem i forskningssyfte; genom att stänga av gener och observera resultaten kunde forskarna upptäcka genernas funktioner.

När jag färdigställde min doktorsavhandling mot slutet av 1980talet hade riktad genmodifiering använts för att redigera DNA i odlade mus- och människoceller och till och med i levande möss.

Nyskapande arbete i Martin Evans laboratorium visade att forskarna, genom att angripa gener i embryonala stamceller från möss och sedan injicera dessa modifierade stamceller i musembryon, kunde skapa levande möss med specialdesignade förändringar. De genombrott som gjorts av Capecchi, Smithies och Evans fick så småningom sitt erkännande genom 2007 år Nobelpris i fysiologi eller medicin.

Men trots genredigeringens omvälvande konsekvenser utövade tekniken under första tiden mycket större lockelse inom grundforskningen än i tillämpningar för medicinsk behandling av människor. För däggdjursgenetiker som letade efter nya sätt att studera olika geners funktioner var riktad genmodifiering en teknik som förändrade allt. Medicinska forskare drog sig däremot för att använda tekniken på människor, för trots sin potential var homolog rekombination en sorgligt otillräcklig metod när det kom till behandling.

Den kanske största nackdelen var problemet med icke-homolog rekombination, eller illegitim rekombination, som innebär att det nya DNA:t införlivas i genomet på ett slumpartat sätt i stället för att levereras exakt till sin matchande sekvens. Illegitim rekombina-

30

SPRICKAN I SKAPELSEN

tion tycktes i själva verket dominera över homolog rekombination med en faktor på omkring hundra mot ett. Förhoppningarna om att kunna använda tekniken terapeutiskt var självfallet inte särskilt stora om genredigering bara kunde korrigera en muterad gen i en procent av de omvandlade cellerna, medan DNA i övriga 99 procent fogades in i genomet på ett helt slumpmässigt sätt. Forskarna utvecklade eleganta lösningar för att kringgå problemet i cellodlingar, och de förlorade inte hoppet om att i framtiden kunna tillämpa tekniken medicinskt. Som Capecchi formulerade det i början av 1990talet: ”Homolog rekombination är till sist den enda vägen framåt för mänsklig genterapi.” Men tills vidare tycktes genredigering helt enkelt inte fungera tillräckligt bra för att kunna användas på människor.

I början av 1980-talet, när många forskare funderade över riktad genmodifiering i mänskliga celler, grunnade Jack Szostak över vad som händer när jästceller delar sig. Som professor vid Harvard Medical School (där han senare skulle handleda mig under min tid som forskarstudent) sysslade Szostak med den fundamentala frågan hur riktad genmodifiering och homolog rekombination alls var möjligt. Mer specifikt ville han förstå hur två DNA-strängar från en kromosom kunde smälta samman med två matchande DNAsträngar från en annan kromosom, utbyta information under något slags sammansmält mellanstadium och sedan på nytt skiljas åt för att återskapa de enskilda kromosomerna när cellerna delat sig. År 1983, när jag fortfarande studerade vid Pomona College i andra änden av landet, trodde sig Szostak ha funnit ett svar. Baserat på resultat av genetiska experiment med jästsvamp publicerade han och doktoranden Terry Orr-Weaver, tillsammans med professorerna Rodney Rothstein och Frank Stahl, en provokativ modell där

SÖKANDET EFTER ETT BOTEMEDEL

31

den utlösande faktorn – den larmklocka som startar den homologa rekombinationen – var att en av de två kromosomerna skars itu, med ett dubbelsträngsbrott i DNA-molekylen som resultat. I denna modell skulle ett dubbelsträngsbrott och de fria DNA-ändarna på platsen för brottet vara särskilt benägna att smälta samman, och de omgivande sekvenserna långt mer sannolikt utbyta genetisk information med en matchande kromosom (eller i genredigeringens fall, med det matchande DNA som forskaren tillhandahöll).

När jag kom till hans laboratorium 1986 hade Szostak redan börjat lägga om sitt forskningsfokus till RNA-molekylers roll i livets tidiga evolution. Men jag och mina kollegor diskuterade ofta den modell han hade utvecklat och hur elegant den var, liksom den öppna skepsis som modellen hade mötts av bland andra forskare.

Efterhand började det stå klart att en modell med brott på bägge DNA-strängarna stämde med många experimentella data. Mekanismen för reparation av dubbelsträngsbrott fungerade inte bara för homolog rekombination vid bildandet av ägg- och spermieceller, utan även för den rekombination som sker när DNA skadas. Alla celler är utsatta för olika ämnen som skadar deras DNA, såsom röntgenstrålning och cancerframkallande ämnen, och celler är anmärkningsvärt effektiva på att reparera dessa brott utan att förlora genetisk information. Enligt Szostaks modell vilade denna reparationsprocess på kromosomers förmåga att matchas ihop via homolog rekombination, vilket kunde förklara att det var en gynnsam evolutionär strategi att ha två kopior av en kromosom. Varje skada på en kromosom kunde enkelt repareras genom att kopiera den matchande sekvensen på den andra kromosomen.

Om dubbelsträngsbrottets modell var korrekt, och om de slutsatser som jästsvampsforskningen lett fram till gällde även för däggdjur, fanns det en uppenbar möjlighet att göra genredigeringen

32

SPRICKAN I SKAPELSEN

mer effektiv: att skära sönder genomet exakt där redigeringen skulle göras. Om man ville ersätta en defekt gen i genomet med en korrigerad kopia som konstruerats i labbet, måste man först räkna ut hur den defekta genen skulle klippas isär så att ett lokalt dubbelsträngsbrott uppkom, och sedan tillhandahålla den korrigerade genkopian. När ett brott uppkommit skulle cellen försöka reparera skadan genom att söka efter en matchande kromosom att kopiera – och då skulle den hitta den syntetiska genen. I princip handlade det om att lura cellen att tro att den hade drabbats av en naturlig DNAskada och förse den med ett nytt stycke DNA, förklätt till en andra kromosom, som den kunde använda för att laga det trasiga stället.

Forskare i Maria Jasins laboratorium vid Memorial Sloan Kettering Cancer Center i New York var de första som utsatte däggdjursceller för detta bedrägliga förfarande. Detta skedde 1994, och jag läste med stort intresse om utvecklingen där jag befann mig i det närliggande New Haven, dit jag nyligen anlänt efter att ha avslutat min forskning som postdok i Boulder. Det var spännande att följa ett sådant pionjärarbete, baserat på min handledares dubbelsträngsmodell och utfört av en kvinnlig forskare som delade min fascination för livets molekyler.

Jasins experiment med genredigering var originellt och snillrikt.

Hennes strategi var att föra in ett enzym i musceller som skar itu genomet och åstadkom ett dubbelsträngsbrott; samtidigt lade hon till ett stycke syntetiskt DNA i cellerna – en reparationsmall – som matchade den uppklippta DNA-sekvensen. Därefter såg hon efter om muscellerna hade reparerat det trasiga DNA:t genom att stoppa in reparationsmallen. Genom att utföra samma experiment med och utan det tillagda enzymet kunde hon testa sin hypotes: att ett artificiellt skapat dubbelsträngsbrott gjorde den homologa rekombinationen mer effektiv.

SÖKANDET EFTER ETT BOTEMEDEL

33

Utmaningen var att få fram ett livskraftigt enzym som klippte genomet på en specifik plats bland miljarder möjliga alternativ. För att lösa detta problem lånade Jasin ett stycke molekylärt maskineri från jästsvamp: endonukleaset I-SceI. Nukleaser är enzymer som klipper isär nukleinsyror; vissa klipper RNA, andra DNA. Endonukleaser klipper RNA eller DNA någonstans inom strängarna, till skillnad från exonukleaser som klipper enbart från strängarnas ändar. Vissa endonukleaser är starkt toxiska för celler eftersom de klipper sönder i princip varje stycke DNA som de hittar, oberoende av hur dess sekvens ser ut. Andra endonukleaser är mycket specifika och klipper endast vissa sekvenser, och långt fler faller någonstans mittemellan.

Endonukleaset I-SceI, som Jasin valde, var ett av de mest specifika endonukleaser man kände till vid den här tiden, och krävde en perfekt matchning av arton DNA-bokstäver i följd för att klippa ett givet segment. Valet av ett mycket selektivt endonukleas var avgörande; om Jasin hade valt ett enzym som var alltför urskillningslöst skulle det ha klippt i genomet lite överallt, och gjort resultaten inte bara mer svårtolkade utan kanske också skadliga för värdcellen.

Men genom sin specifika inriktning på arton bokstäver i följd skulle I-SceI klippa endast en sekvens av DNA bland över femtio miljarder möjliga kombinationer. (Ironiskt nog hade musgenomet ingen matchande sekvens på arton bokstäver; innan Jasin kunde utföra sitt experiment måste hon därför foga in en kopia av sekvensen i genomet för att enzymet skulle ha någonstans att klippa.)

Resultaten av Jasins experiment var häpnadsväckande. Hon lyckade förmå så mycket som 10 procent av cellerna att exakt reparera en muterad gen genom homolog rekombination, en träffprocent som i dag ter sig låg men som var flera hundra gånger större än vad forskare hade lyckats uppnå tidigare. Detta var det dittills mest

34

SPRICKAN I SKAPELSEN

lovande belägget för att denna process skulle kunna låta forskare skriva om genomets kod utan risk för illegitim rekombination eller slumpmässig infogning av retrovirala vektorer. Genom att införa ett dubbelsträngsbrott på rätt plats skulle cellerna praktiskt taget göra jobbet åt forskarna.

Det var bara ett problem: för att denna metod skulle vara användbar måste forskarna kunna klippa genomet på specifika platser. I Jasins experiment, som bevisade grundidéns hållbarhet, hade den sekvens som kändes igen av I-SceI klistrats in i genomet artificiellt innan nukleaset infördes. Men sekvenserna för många sjukdomsförknippade gener var så att säga huggna i sten; de kunde inte modifieras för att matcha ett kräset endonukleasenzym. När genomet väl klippts upp var det mycket effektivt på att reparera sig självt och införliva ny genetisk information – tricket var att räkna ut hur genomet skulle klippas på rätt ställe.

Från mitten av 1990-talet och framåt, medan jag fördjupade mig i RNA-molekylers strukturer och deras unika biokemiska beteende, ägnade sig forskare ivrigt åt att utforma nya system som i likhet med I-SceI kunde riktas mot specifika DNA-sekvenser. Om forskarna kunde lösa detta problem skulle de kunna förverkliga genredigeringens fulla potential.

På denna nya generation av genredigerande system ställdes tre avgörande krav: de måste känna igen en specifik, önskad DNAsekvens; de måste kunna klippa denna DNA-sekvens; och de måste vara lätta att programmera om för att kunna riktas mot och klippa olika DNA-sekvenser. De två första kriterierna var nödvändiga för att åstadkomma ett dubbelsträngsbrott, och det tredje behövdes för att verktyget skulle vara allmänt användbart. I-SceI var utmärkt på de två första punkterna, men helt misslyckat i fråga om den tredje.

För att bygga ett programmerbart system för DNA-klippning tänkte

SÖKANDET EFTER ETT BOTEMEDEL

35

sig bioingenjörerna att de antingen måste bygga om I-SceI så att det riktades mot och klippte nya typer av sekvenser, eller också hitta ett helt nytt nukleasenzym som redan hade utvecklats till att klippa olika DNA-sekvenser.

Forskarnas försök att omforma I-SceI ledde ingen vart (inte särskilt förvånande, med tanke på hur molekylärt komplexa proteinenzym är), och man insåg snart att en långt mer lovande väg var att leta efter andra nukleasenzymer i naturen. Vid tiden för Jasins arbete med I-SceI hade forskarna i själva verket redan isolerat dussintals nukleaser från en lång rad organismer och fastställt exakt vilka DNA-sekvenser de riktade sig mot. Men det fanns ett fundamentalt problem: de allra flesta av dessa enzym kände igen sekvenser som var bara sex eller åtta bokstäver långa – alldeles för korta för att vara användbara. Dessa sekvenser förekom tiotusentals eller rentav hundratusentals gånger i människans genom, vilket betydde att även om nukleaset kunde stimulera homolog rekombination i en gen, så skulle den samtidigt riva sönder nästa hela genomet. Cellen skulle förstöras innan den fått någon chans att börja reparera sitt DNA. Forskarna kunde inte förlita sig på något tidigare upptäckt nukleas, och det var inte praktiskt möjligt att börja leta efter nya enzym i stil med I-SceI varje gång en ny genredigering behövdes.

Om terapeutisk genredigering skulle vara en fungerande teknik för att korrigera sjukdomsframkallande mutationer, kunde läkarna inte sitta och vänta på att forskarna skulle hitta ett nukleas som råkade vara riktat mot just den region av exakt den gen där en patient hade en skadlig mutation. Forskarna måste kunna hämta fram rätt nukleas ur sitt förråd eller åtminstone ha ett sätt att framställa det vid behov. Även om jag inte noterade det just då, presenterades en lösning på detta problem 1996, i en studie som innebar ett paradigmskifte.

Srinivasan Chandrasegaran, professor vid Johns Hopkins University,

36

SPRICKAN I SKAPELSEN

insåg att han inte måste välja mellan att bygga nukleaser från scratch, hitta nya i naturen eller omarbeta I-SceI. I stället kunde han förena de olika metoderna genom att välja ut bitar av naturligt existerande proteiner och kombinera dem. Sådana chimäriska nukleaser skulle uppfylla de två första kraven på ett genredigerande nukleas: de skulle kunna känna igen och klippa en specifik DNA-sekvens.

Chandrasegaran började pussla ihop ett chimäriskt nukleas med användning av avsnitt från två naturligt förekommande proteiner med förmågan att riktas mot respektive klippa DNA-sekvenser.

För klippningen valde Chandrasegaran en modul från ett bakteriellt nukleas kallat FokI, som kunde åstadkomma brott i DNA men inte var inriktat på någon särskild sekvens. För inriktningen använde han en familj av allmänt och naturligt förekommande proteiner, så kallade zinkfingerproteiner, som har fått sitt namn av att de känner igen DNA med hjälp av fingerliknande utskott, sammanhållna av zinkjoner och uppradade efter varandra likt fingrarna på en hand.

Eftersom dessa zinkfingerproteiner var uppbyggda av ett flertal upprepade segment ordnade i en rad, där varje segment kände igen en specifik DNA-sekvens på tre bokstäver, föreföll det troligt att forskare genom att kombinera segment på olika sätt skulle kunna omforma proteinerna för att känna igen olika DNA-sekvenser.

Chandrasegarans chimäriska nukleas verkade fungera, otroligt nog. Efter att ha smält samman klippmodulen från FokI med den DNA-igenkännande modulen från ett zinkfingerprotein, visade hans team att det specialtillverkade nukleaset kände igen och klippte exakt det DNA som de hade förväntat sig att det skulle göra, trots att de hade slagit ihop två proteinkomponenter från helt olika källor.

Snart slöt sig Chandrasegaran samman med Dana Carroll, professor vid University of Utah, för att göra praktiskt bruk av dessa

SÖKANDET EFTER ETT BOTEMEDEL

37

nya zinkfingernukleaser (ZFN). Tillsammans visade de att ZFN fungerade även i grodägg (ett populärt modellsystem bland biologer), och att ZFN-framkallad DNA-klippning stimulerade homolog rekombination. I nästa steg, där man arbetade med bananflugor, programmerade man i Carrolls laboratorium en ny ZFN riktad mot en gen som är inblandad i kroppens pigmentering och kallas gul, och visade att denna strategi kunde framkalla en precis genetisk förändring i en hel organism. Detta var ett framsteg av största betydelse för genredigering som metod. Nu var ZFN-tekniken inte bara tillräckligt praktisk för att kunna användas på djur, utan kunde också – vilket var ännu viktigare – omformas för att riktas mot nya gener.

Andra forskare hoppade snabbt på tåget och började designa zinkfingernukleaser för sina egna syften, med inriktning på andra gener och andra modellorganismer. År 2003 blev Matthew Porteus och David Baltimore först med att visa att en gen i mänskliga celler kunde redigeras exakt genom en specialbyggd ZFN. Inte långt därefter korrigerade Fyodor Urnov och hans kollegor en mutation som orsakar X-bunden SCID i mänskliga celler. Möjligheten att använda genredigering som strategi för att angripa genetiska sjukdomar hade aldrig verkat så närliggande.

Samtidigt fångades ZFN-tekniken upp av laboratorier som intresserade sig för genredigering i helt andra syften, som att framställa specialtillverkade grödor eller djurmodeller. Mot slutet av 2000-talet tillämpades tekniken med framgång på backtrav, tobaksplantor och majs, vilket visade att dubbelsträngsbrott i DNA främjade högeffektiv homolog rekombination i många celltyper, inte bara hos däggdjur. Parallellt med detta började det dyka upp artiklar som rapporterade om att ZFN hade använts för att modifiera gener hos zebrafiskar, maskar, råttor och möss. Det var ett fascinerande

38

SPRICKAN I SKAPELSEN

forskningsarbete med stor potential, vilket fick mig att uppmärksamma det i publikationer och vid konferenser.

Men trots sin löftesrikedom fick ZFN-tekniken aldrig fäste utanför en handfull laboratorier. Forskarna som använde den hade antingen stor erfarenhet av proteintillverkning, samarbetade med de få laboratorier som hade sådan erfarenhet eller tillräckligt med pengar för att betala det höga priset för de specialtillverkade nukleaserna. I teorin var det lätt att framställa en ZFN – det var bara att kombinera de olika zinkfingersegmenten så att de kände igen den DNA-sekvens man var intresserad av att redigera. Men i praktiken var det mycket svårt. En stor andel av dessa nytillverkade nukleaser kände helt enkelt inte igen de DNA-sekvenser de var tänkta att göra; andra var alltför urskillningslösa och gav sig på allt som hade minsta likhet med deras måltavlor, så att de dödade de celler de hade i uppgift att redigera.

Och i andra fall kände zinkfingermodulen igen det avsedda DNA:t utan problem, men nukleasmodulen klippte inte.

Zinkfingernukleaser tycktes helt enkelt inte vara tillräckligt programmerbara för att kunna användas som ett generellt genredigeringsverktyg, delvis av samma skäl som det hade visat sig problematiskt att omforma I-SceI. Resultaten med ZFN-tekniken hade förvisso en gång för alla visat att specialtillverkade nukleaser var rätt väg att gå när genredigering var målet, men fältet väntade fortfarande på en ny teknik, som var mer tillförlitlig och lättare att använda.

Denna teknik – eller åtminstone en första version av den – upptäcktes år 2009, i samband med studier av en ny typ av proteiner som hittats i Xanthomonas, en sjukdomsframkallande bakterie som infekterar växter. Dessa proteiner, som kallas TALE (kort för ”transkriptionsaktivator-liknande effektorer”), har slående likheter med zinkfingerproteiner i sin uppbyggnad; de är uppbyggda av ett

SÖKANDET EFTER ETT BOTEMEDEL

39

flertal upprepade segment där varje segment känner igen ett visst DNA-område. Men det finns en skillnad: medan varje finger i zinkfingerproteinerna känner igen en DNA-sekvens på tre bokstäver, känner varje segment i en TALE igen en enda bokstav av DNA. Denna skillnad gjorde att forskarna lätt kunde utarbeta en kod för vilket segment som skulle känna igen en given DNA-bokstav, och sedan enkelt arrangera dessa segment, ett efter ett, för att känna igen en längre DNA-sekvens i en gen. Detta hade förefallit okomplicerat med ZFN-tekniken, men med TALE-tekniken var det faktiskt det.

Forskarna hakade snabbt på för att utforska denna färska ledtråd. Inte långt efter att koden upptäcktes smälte tre laboratorier samman TALE-proteiner med samma DNA-klippande modul som användes i ZFN och skapade på så sätt TALE-nukleaser (TALEN).

TALEN-tekniken var anmärkningsvärt effektiv när det gällde att framkalla genredigering i celler, och när forskarna hade gjort vissa förbättringar i nukleasernas utformning och konstruktion verkade det som om TALEN-tekniken skulle bli mycket lättare att använda sig av än ZFN-tekniken. ”Men stackars lilla TALEN”, som Dana Carroll skrev i en artikel där han gick igenom genredigeringens ursprung och framväxt. För knappt hade TALEN-tekniken hunnit upptäckas och anpassas för genredigering innan den ersattes av nästa upptäckt – och kanske den slutliga – på genredigeringens område. Tekniken kallades CRISPR, och det är här som min egen historia sammanfaller med genredigeringens historia – och med denna långa marsch i vetenskapens utveckling som nu var på väg in i en ny och spännande fas.