Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà khoa học mô tả một phương pháp kết xuất công cụ chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9, ‘miễn dịch’, có khả năng cho phép chỉnh sửa và sửa chữa các gen được thực hiện một cách đáng tin cậy và lén lút.
Sự tiến bộ của khoa học là một thứ gì đó giống như sự lang thang của một nhà thám hiểm xuyên qua một khu rừng chưa được khám phá. Thông thường, sự phát triển dày đặc có vẻ không thể xuyên thủng, nhưng tại một số thời điểm đặc quyền nhất định, một khoảng trống mở ra và một cảnh quan hoàn toàn mới xuất hiện.
Một cái gì đó như thế này đang xảy ra trong lĩnh vực sinh học với sự khám phá gần đây về các kỹ thuật mạnh mẽ để can thiệp vào mã di truyền của sự sống. Một phương pháp mới để chỉnh sửa gen với sự dễ dàng của các chức năng cắt và dán của máy tính có thể chứng minh được nhiều khoảnh khắc hơn so với việc tách nguyên tử và thể hiện một bước tiến lớn trong cuộc chiến chống lại các căn bệnh chết người.
Bước đột phá – được gọi là CRISPR – đã được chào đón với sự lạc quan ngây ngất và sự e ngại nghiêm trọng.
Trong nghiên cứu xuất hiện trên ấn bản trực tuyến nâng cao của tạp chí Nature Communications , Karen Andersen, Samira Kiani và các đồng nghiệp của họ tại Đại học bang Arizona đã mô tả một phương pháp biểu hiện công cụ chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9 “immunosilent” để được hoàn thành một cách đáng tin cậy và lén lút.
Nghiên cứu này là nghiên cứu đầu tiên dự đoán chính xác các vị trí gắn kết chi phối hoặc epitopes chịu trách nhiệm nhận biết miễn dịch protein Cas9 và thực nghiệm nhắm mục tiêu chúng để sửa đổi. Những phát hiện mang lại cho CRISPR một bước gần hơn với ứng dụng lâm sàng an toàn.
Anderson là giáo sư tại Trung tâm Biodesign Virginia G. Piper về Chẩn đoán Cá nhân hóa và Trường Khoa học Đời sống của ASU. Cô cũng là phó giáo sư y khoa tại Mayo Clinic Arizona. Kiani gần đây đã gia nhập Viện Biodesign ngoài các cuộc hẹn của cô tại Trường Khoa học Đời sống của ASU và Trường Kỹ thuật Hệ thống Sinh học và Sức khỏe. Mối quan tâm nghiên cứu của cô bao gồm việc sử dụng các phương pháp sinh học tổng hợp để cải thiện sự an toàn của CRISPR.
Công cụ cổ xưa, khoa học tương lai
Trở lại năm 1987, một nhóm các nhà nghiên cứu ở Osaka, Nhật Bản đã tìm thấy một thứ kỳ dị. Trình tự di truyền giống hệt nhau xuất hiện nhiều lần trong bộ gen vi khuẩn của E. coli . Các chuỗi palindromic này được phân tách bằng các đoạn DNA viết tắt có thành phần khác nhau.
Bản chất của các chuỗi lặp lại kỳ lạ này và các cụm từ DNA gây tò mò ngăn cách chúng là một bí ẩn. Đáng chú ý, chúng bắt đầu xuất hiện ở các vi khuẩn khác. Thật vậy, hiện tượng này có vẻ phổ biến, và cuộc đua cho một lời giải thích đã bắt đầu.
Ngày nay, chúng ta biết rằng các nhà nghiên cứu đã vấp phải một hệ thống miễn dịch vi khuẩn chưa được biết đến trước đây – CRISPR (đối với các cụm lặp đi lặp lại ngắn thường xuyên xen kẽ nhau).
CRISPR dựa trên hai thành phần chính. Đầu tiên, được gọi là RNA hướng dẫn, là một loại chó săn phân tử, chịu trách nhiệm định vị một vị trí cụ thể trong bộ gen được sửa đổi hoặc vô hiệu hóa. Thành phần thứ hai, được gọi là Cas9, là một loại protein đặc biệt được gọi là endonuclease. Nó hoạt động giống như một cặp kéo cắt tỉa sắc như dao cạo, cắt xuyên qua chuỗi DNA kép ở vị trí mong muốn được đặt bởi RNA dẫn hướng.
Khi một loại vi khuẩn như E. coli bị xâm nhập bởi một loại virus lạ – được gọi là vi khuẩn – hệ thống CRISPR được kích hoạt. Nếu các cơ chế bảo vệ vi khuẩn vô hiệu hóa thành công virus, CRISPR sẽ cắt DNA của kẻ xâm lược thành từng mảnh và lưu trữ các đoạn này trong một loại thư viện bộ gen. Một cuộc tấn công virus tiếp theo vào vi khuẩn sẽ khiến CRISPR so sánh các phân đoạn DNA của virus vi phạm với ngân hàng dữ liệu của vi khuẩn về các đoạn DNA từ các cuộc tấn công trước đó của virus. Khi RNA hướng dẫn tìm thấy sự trùng khớp với DNA của virus, nó liên kết với chuỗi bổ sung và protein Cas9 cắt đứt DNA, chấm dứt virus.
Thiên nhiên 2.0
Các nhà nghiên cứu thông minh đã sớm nhận ra tiềm năng của CRISPR-Cas9 để phục vụ như một công cụ chỉnh sửa gen đa năng, không chỉ hữu ích trong việc sửa đổi các vùng được chọn trong toàn bộ bộ gen của vi khuẩn, mà cả bộ gen của tất cả các sinh vật sống, bao gồm cả con người. Các khả năng là đáng kinh ngạc và không giới hạn trong các phương pháp điều trị hiệu quả cho một loạt các bệnh di truyền. Lần đầu tiên, có thể sửa lỗi chính tả di truyền của Tự nhiên, chữa khỏi nhiều bệnh này hoàn toàn và ngăn ngừa những bệnh khác không bao giờ phát sinh.
CRISPR cũng có tiềm năng biến đổi triệt để các hệ sinh thái và đã được đề xuất như một phương tiện để quét sạch các bệnh như sốt rét bằng cách điều khiển muỗi mang đến sự tuyệt chủng, thông qua các kỹ thuật hỗ trợ CRISPR được gọi là ổ gen.
Lần đầu tiên trong lịch sử trái đất, một loài nắm giữ chìa khóa để chỉ đạo quá trình tiến hóa của chính nó, (chưa kể đến sự tiến hóa của vi khuẩn, hươu cao cổ, cây gỗ đỏ và tất cả sự sống của hành tinh). Hiện tại, có những điều cấm đối với các nỗ lực chỉnh sửa gen ở người có thể được truyền qua dòng mầm cho các thế hệ kế tiếp, nhưng trong ít nhất một trường hợp, những ranh giới này đã bị vượt qua một cách đáng ngại. Mạnh mẽ và linh hoạt là phương pháp CRISPR, có thể có vài lĩnh vực sinh học ứng dụng sẽ không bị ảnh hưởng bởi nó.
Nhưng trước khi CRISPR có thể thực hiện các bước dự kiến đầu tiên trong phòng khám, một số vấn đề an toàn phải được giải quyết, bắt đầu với protein Cas9 cắt gen.
“Là một cuộc cách mạng xã hội như một cuộc cách mạng công nghệ, nhiều nhà nghiên cứu đã bắt đầu xem xét các cân nhắc về đạo đức, xã hội, an toàn và quy định liên quan đến việc sử dụng CRISPR,” Kiani nói. “Kỹ thuật an toàn để giải quyết khả năng kiểm soát, tính đặc hiệu và tác dụng phụ của các phương pháp điều trị CRISPR đã đạt được động lực đáng kể và các cuộc tranh luận về đạo đức đã nảy sinh để đảm bảo sử dụng đúng công nghệ. Phòng thí nghiệm của tôi quan tâm đến việc giải quyết cả hai vấn đề.”
Quản lý miễn dịch
Cas9 là một công cụ chính xác và linh hoạt, thay thế các kỹ thuật chỉnh sửa gen sớm, không chính xác và không hiệu quả bằng một thiết bị cắt nhanh chóng, rẻ tiền và chính xác. Nhưng Cas9 ở dạng nguyên sinh có thể không được cơ thể con người dung nạp tốt.
Làm cho công nghệ CRISPR an toàn cho sử dụng lâm sàng là mối quan tâm chính và vấn đề là thách thức. Một điều cần thiết là đảm bảo rằng bộ máy trung tâm của CRISPR không được hệ thống miễn dịch của bệnh nhân công nhận là một thực thể nước ngoài và bị tấn công. Một phản ứng miễn dịch của loại này có thể gây độc tính đáng kể. (Một phương pháp sớm, trước CRISPR giới thiệu các gen bị thay đổi để điều chỉnh một rối loạn di truyền hiếm gặp dẫn đến thảm kịch khi một cuộc nổi loạn hệ thống miễn dịch gây ra suy đa tạng và tử vong. Ngày nay, các vec tơ cải tiến cho liệu pháp gen đã giúp điều trị an toàn hơn cho một loạt các gen các rối loạn, mặc dù tác dụng “ngoài mục tiêu” của các can thiệp này vẫn là một mối quan tâm quan trọng.)
Protein Cas9 có nguồn gốc từ một loại vi khuẩn thông thường, streptococcus pyogenes. “Vấn đề,” Anderson nói, “là nhiều người trong chúng ta đã miễn dịch với liên cầu khuẩn. Nếu bạn bị nhiễm liên cầu khuẩn nhóm A, bạn có thể có khả năng miễn dịch từ trước đối với protein đó.”
S. pyogenes là một loại vi khuẩn tròn thường xâm chiếm cổ họng, niêm mạc bộ phận sinh dục, trực tràng và da, ảnh hưởng đến 700 triệu người mỗi năm trên toàn thế giới. Nó chịu trách nhiệm cho các bệnh từ sốt thấp khớp và bệnh thấp khớp đến sốt đỏ tươi và viêm họng do liên cầu khuẩn – thường được gọi là viêm họng liên cầu khuẩn.
Trong những nỗ lực chỉnh sửa gen trước đây, các tế bào đã được loại bỏ khỏi mô người, được tái cấu trúc và thay thế trong cơ thể. Sức mạnh của CRISPR cho phép các nhà nghiên cứu sửa đổi DNA trong mô của người sống và thậm chí nhắm mục tiêu sửa đổi nhiều gen với một can thiệp CRISPR duy nhất. “Nếu bạn muốn nghĩ về việc sửa chữa các tế bào trong một cơ quan, như tế bào gan hoặc thận hoặc não,” Anderson nói, “thì bạn phải thể hiện protein của vi khuẩn ở đó.” Đây là lúc mối đe dọa kích hoạt phản ứng miễn dịch đối với Cas9 trở thành một trở ngại đáng gờm.
Cas9 đi ẩn danh
Nghiên cứu mới khẳng định Cas9 thực sự gây miễn dịch ở người và việc tiếp xúc với S. pyogenes từ trước có thể thúc đẩy các tế bào T của cơ thể tiến hành một cuộc tấn công miễn dịch chống lại protein của vi khuẩn. Khi 143 mẫu máu được sàng lọc, 82 trong số đó (tương đương 57,3%) cho thấy mức độ kháng thể phát hiện được với S. pyogenes.
Nghiên cứu tiếp theo mô tả nỗ lực tạo ra phiên bản Cas9 đầy đủ chức năng, phù hợp với chỉnh sửa gen, không được hệ thống miễn dịch công nhận và nhắm mục tiêu. Để làm điều này, các nhà nghiên cứu đã xác định các vùng liên kết kháng thể trên phân tử Cas9, (được gọi là epitopes), có liên quan trực tiếp đến việc kích hoạt nhận dạng và tấn công tế bào T.
Hai đột biến trong cái gọi là dư lượng neo của văn bia Cas9 đã được khám phá riêng lẻ và kết hợp để đánh giá hiệu quả của chúng đối với khả năng miễn dịch. Sửa đổi các khu vực này chỉ bằng một axit amin duy nhất tạo ra một phiên bản Cas9 có thể hoạt động bí mật. Khả năng phản ứng của tế bào T với peptide bị đột biến cho thấy giảm 25-30 lần, trong khi vẫn giữ nguyên khả năng cắt DNA của Cas9.
“Đó là phần duy nhất của những gì chúng tôi đã làm,” Anderson nói. “Chúng tôi đã lấy các epitope chiếm ưu thế đó và cố gắng làm im lặng chúng – chỉ bằng cách thực hiện một hoặc hai đột biến trong gen Cas9. Nhưng chúng tôi đã xây dựng lại nó, vì vậy gen vẫn hoạt động. Nó không im lặng về mặt miễn dịch, nhưng yên tĩnh hơn.” Thật vậy, kết quả nghiên cứu đã xác nhận rằng trong các tế bào nuôi cấy, Cas9 được tái cấu trúc ít hoạt động miễn dịch hơn, trong khi vẫn giữ được các đặc tính chức năng của nó. Tác giả nhấn mạnh rằng kỹ thuật này có thể được kết hợp với các chiến lược khác để cải thiện hơn nữa sự an toàn của CRISPR và giảm nhu cầu về thuốc ức chế miễn dịch.
Những con đường nghiên cứu mới thú vị đang được khám phá sẽ cho phép CRISPR được sử dụng để tạo ra những thay đổi biểu sinh, bật gen im lặng, thay đổi hoạt động của các gen bị phá vỡ hoặc thay đổi biểu hiện gen mà không làm thay đổi DNA vĩnh viễn. Những can thiệp như vậy sẽ đòi hỏi hệ thống CRISPR tồn tại lâu hơn trong cơ thể để có hiệu quả, có thể là vài tuần hoặc vài tháng. Ở đây, khả năng miễn dịch tiềm năng đối với Cas9 sẽ còn được xem xét nhiều hơn nữa. Tùy chỉnh các epitopes để làm im lặng phản ứng miễn dịch với Cas9 cung cấp một cách tiếp cận hấp dẫn.
“Chúng tôi hy vọng rằng nghiên cứu này là khởi đầu của nhiều nỗ lực mà khi kết hợp có thể giải quyết khả năng miễn dịch của CRISPR cho các thử nghiệm lâm sàng,” Kiani nói.
Nguồn tin tức:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học bang Arizona . Bản gốc được viết bởi Richard Harth. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :