Công cụ chỉnh sửa gen mới có thể vượt trội CRISPR
Các nhà khoa học tại Viện Broad đã nghiên cứu phát triển công cụ chỉnh sửa gen mới có tên gọi “Prime Editing” giúp mở rộng đáng kể phạm vi và khả năng chỉnh sửa bộ gen, và về nguyên tắc có thể sửa khoảng 89% các biến thể di truyền gây bệnh ở người đã biết
CRISPR, một công cụ chỉnh sửa gen cực kỳ mạnh mẽ được phát minh vào năm 2012, vẫn không phải là một công nghệ hoàn hảo.
Trên thực tế, việc ứng dụng kỹ thuật CRISPR đôi khi chỉnh sửa cả những gen không mong muốn và việc chỉnh sửa gen diễn ra bằng cách cắt cả hai mạch chuỗi xoắn DNA, để lại một đống lộn xộn cho tế bào – điểm yếu này đã giới hạn các ứng dụng của nó chỉ ở những nghiên cứu cơ bản hoặc trong nông nghiệp, vì gây ra những nguy cơ về an toàn trong y học.
Bài viết liên quan:
Nhưng một ứng viên mới tham gia vào cuộc đua chỉnh sửa CRISPR được hứa hẹn sẽ khắc phục được những lỗi lớn nhất của công nghệ CRISPR.
Cải tiến tiếp theo của CRISPR được đặt tên là “prime editing”, có thể cho phép chèn hoặc xóa các trình tự nhất định tại các vị trí mong muốn trong hệ gen với ít tác động lệch đích hơn.
“Prime editing cung cấp khả năng nhắm đích mục tiêu với độ linh hoạt hơn và chỉnh sửa chính xác hơn”, David Liu, một nhà hóa học tại Viện Broad ở Cambridge, Massachusetts, có phòng thí nghiệm đi đầu nghiên cứu mới và trước đó đã phát minh ra một phiên bản CRISPR có khả năng chỉnh sửa từng base.
Liu, Andrew Anzalone, và đồng nghiệp của ông, đã thử nghiệm các biến thể của các protein chỉnh sửa của họ trên một số tế bào người và chuột, thực hiện hơn 175 chỉnh sửa khác nhau bao gồm chèn, xóa đoạn và 12 loại đột biến điểm.
Dưới dạng một nghiên cứu chứng minh nguyên lý (proof of principle), họ đã tạo ra và sau đó sửa chữa các đột biến gây ra bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm và bệnh Tay-Sachs, các bất thường DNA mà các hệ thống chỉnh sửa gen trước đây không thể khắc phục hoặc chỉ thực hiện một cách không hiệu quả.
Các chỉnh sửa xảy ra trong một tỷ lệ cao các tế bào và gây ra tương đối ít thay đổi lệch đích. Trong bài báo của mình, nhóm nghiên cứu tuyên bố rằng về lý thuyết công nghệ có thể sửa chữa khoảng 89% các biến đổi di truyền gây bệnh đã biết ở người.
Một cách mới để chỉnh sửa DNA, “prime editor” kết hợp hai enzyme gồm Cas9 (xanh dương) và enzyme phiên mã ngược (đỏ) với một RNA dẫn đường (xanh lá) để đưa cả phức hệ đến một vị trí DNA mạch đôi cụ thể (vàng và tím), đồng thời mang luôn thông tin trình tự muốn chèn vào vị trí này. PEYTON RANDOLPH
Nguyên lý
Hầu hết các hệ thống CRISPR đều dựa vào một phức hợp phân tử kết hợp giữa một RNA hướng dẫn, có thể tìm đến một vị trí cụ thể trong bộ gen, với một enzyme Cas9 cắt cả hai chuỗi DNA.
Trong nỗ lực của tế bào khi kết nối lại DNA bị đứt gãy, bộ máy sửa chữa của nó có thể chèm thêm hoặc xóa bớt các nucleotide. Các nhà nghiên cứu có thể tận dụng việc này để loại bỏ các gen gây ra bệnh. Họ cũng có thể chiếm quyền điều khiển quá trình chỉnh sửa gen không hiệu quả, để chèn thêm DNA – thậm chí là toàn bộ gen.
Nhưng tạo ra đứt gãy sợi đôi là sự phá hoại bộ gen. Khi tế bào cố gắng sửa chữa sự phá vỡ, nó tạo ra các phần chèn hoặc xóa một cách thiếu chuẩn xác, đôi khi tạo ra các đột biến không mong muốn và thậm chí là nguy hiểm.
Trong nghiên cứu chỉnh sửa base trước đó, Liu, không cắt DNA sợi đôi mà thay vào đó sử dụng hệ thống CRISPR để đưa một enzyme khác đến vị trí mong muốn, tại đó nó chuyển đổi một nucleotide thành một nucleotide khác.
Nhiều bệnh tật di truyền gây ra bởi một thay đổi nucleotide duy nhất, vì vậy chỉnh sửa base cung cấp một giải pháp thay thế mạnh mẽ cho công nghệ sinh học và y học.
Nhưng phương pháp này có những hạn chế (các bệnh do đột biến đa điểm, như trường hợp bệnh Tay-Sachs) và nó cũng thường gây ra các đột biến lệch mục tiêu.
Prime editing khắc phục những thiếu sót của cả hai kỹ thuật trên bằng cách sửa đổi cả protein Cas9 và RNA dẫn đường.
Cas9 đã cải biến chỉ tạo ra đứt gãy trên một mạch ADN, thay vì cắt cả hai. RNA dẫn đường mới, được gọi là pegRNA, chứa một RNA khuôn để tổng hợp đoạn ADN mới, đoạn ADN này sẽ chèn vào bộ gen tại vị trí đích.
Điều đó đòi hỏi một protein thứ hai, được gắn vào Cas9: một enzyme phiên mã ngược, có thể tạo ra một chuỗi DNA mới từ khuôn RNA và chèn nó vào vị trí đứt gãy mạch đơn kể trên.
Tương lai của kỹ thuật prime editing
Liu, người đã thành lập một công ty dựa vào công nghệ mới, Prime Medicine, nhấn mạnh rằng để có được một vị trí nhất định trong bộ công cụ chỉnh sửa gen, họ sẽ phải chứng minh sự mạnh mẽ và hữu ích của Prime editing trong nhiều phòng thí nghiệm.
Việc chuyển cấu trúc lớn gồm RNA và các enzyme vào các tế bào sống cũng sẽ khó khăn và chưa ai cho thấy nó có thể hoạt động trong mô hình động vật.
Nhóm của Liu cũng đã cung cấp hướng dẫn về kỹ thuật này trên cơ sở dữ liệu Addgene để sử dụng trong nghiên cứu.
“Tôi hy vọng rằng hàng trăm, nếu không phải hàng ngàn nhà nghiên cứu, sẽ cố gắng sử dụng prime editing trong những tuần, tháng và năm tới” Liu nói.
“Điều quan trọng ngay lúc này là việc kiểm tra công cụ này trong cộng đồng khoa học và, nếu cần, sẽ tối ưu hóa prime editing trong càng nhiều loại tế bào và sinh vật khác nhau càng tốt.”
“‘Prime editing’ giúp mở rộng đáng kể phạm vi và khả năng chỉnh sửa bộ gen, và về nguyên tắc có thể sửa khoảng 89% các biến thể di truyền gây bệnh ở người đã biết” nhóm nghiên cứu viết trong công bố của mình trên Nature.
Tham khảo:
Anzalone et al., “Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA,” Nature, DOI:10.1038/s41586-019-1711-4, 2019.
iceberg
tapchisinhhoc.com
