Zespół badawczy z Loke Centre for Trophoblast Research na Uniwersytecie Cambridge zastosował innowacyjną metodę tzw. base editing, będącą udoskonaloną wersją popularnej techniki edycji genów CRISPR/Cas9. Pozwala ona na niezwykle precyzyjną zmianę pojedynczego nukleotydu w genomie człowieka, który składa się z około 3 miliardów par zasad. Dzięki tej technologii naukowcy mogli zablokować aktywność genu NANOG w bardzo wczesnych stadiach rozwoju ludzkiego zarodka.
Badania wykazały, że gen NANOG jest absolutnie niezbędny do powstania tzw. epiblastu, grupy komórek pluripotencjalnych, z których rozwija się całe ciało człowieka. W zarodkach pozbawionych aktywności tego genu nie zaobserwowano powstawania komórek epiblastu, co uniemożliwiało dalszy rozwój organizmu. Co istotne, brak NANOG nie wpływał znacząco na rozwój komórek, które tworzą woreczek żółtkowy i łożysko, struktury wspierające rozwijający się zarodek.
Odkrycie to potwierdza, że NANOG pełni kluczową funkcję w procesie powstawania komórek pluripotencjalnych, które mogą przekształcać się w dowolny typ komórki w organizmie. To właśnie z tej populacji komórek wywodzą się komórki macierzyste, szeroko wykorzystywane w badaniach biomedycznych, terapii komórkowej i modelowaniu chorób.
Dotychczasowe próby edycji genów w ludzkich zarodkach, prowadzone przy użyciu klasycznego CRISPR/Cas9, wiązały się z ryzykiem powstawania niezamierzonych uszkodzeń chromosomów. Nowa technika base editing znacząco minimalizuje to ryzyko, umożliwiając badanie funkcji poszczególnych genów z niespotykaną dotąd dokładnością i bezpieczeństwem. Jak podkreślają badacze, możliwość precyzyjnego wyłączania wybranych genów otwiera nieznane dotąd perspektywy w zrozumieniu najwcześniejszych etapów rozwoju człowieka. Pozwala także na tworzenie bardziej przewidywalnych i wiarygodnych modeli komórek macierzystych do celów badawczych.
Wyniki badań pokazują również, że funkcja genu NANOG u ludzi różni się od tej obserwowanej u myszy, najczęściej wykorzystywanych w badaniach rozwojowych. U myszy brak NANOG prowadzi do zaburzeń zarówno w epiblaście, jak i w woreczku żółtkowym. Tymczasem w ludzkich zarodkach gen ten jest kluczowy wyłącznie dla powstania epiblastu. Odkrycie to podkreśla konieczność prowadzenia badań bezpośrednio na ludzkim materiale biologicznym, gdyż nie wszystkie mechanizmy rozwojowe są identyczne u różnych gatunków.
Lepsze zrozumienie roli kluczowych genów, takich jak NANOG, może w przyszłości przyczynić się do poprawy skuteczności procedur in vitro oraz wyjaśnienia przyczyn wczesnych poronień. Technika base editing daje także nadzieję na możliwość korekcji wadliwych genów odpowiedzialnych za ciężkie choroby dziedziczne, takie jak mukowiscydoza czy choroba Huntingtona, jeszcze na etapie zarodkowym. Obecnie jednak takie zastosowania budzą wątpliwości natury etycznej i nie są w Wielkiej Brytanii prawnie dozwolone. Ich wdrożenie wymagałoby szerokiej debaty społecznej, rygorystycznych testów bezpieczeństwa i zmian w przepisach.
Do opisanych w „Nature” badań wykorzystano zarodki, komórki jajowe i plemniki pochodzące od par, które przeszły leczenie niepłodności metodą in vitro i zdecydowały się przekazać niewykorzystane materiały do celów naukowych. Zarodki były hodowane w laboratorium maksymalnie przez sześć i pół dnia po zapłodnieniu, po czym ulegały zniszczeniu. Cały proces odbywał się pod ścisłą kontrolą brytyjskich organów regulacyjnych oraz komisji etycznych.
Badania zostały przeprowadzone we współpracy z naukowcami z Monash University, Broad Institute of Harvard and MIT, Francis Crick Institute, MRC Laboratory of Molecular Biology oraz licznymi klinikami leczenia niepłodności.
