CRISPR là một cuộc cách mạng. Nó cũng là một kẻ vũ phu.

Phiên bản cổ điển của wunderkind chỉnh sửa gen theo nghĩa đen là cắt một gen thành từng bit chỉ để tắt nó đi. Có hiệu quả. Nhưng nó giống như luồn dây điện qua máy hủy giấy để làm tắt bóng đèn hoạt động sai. Một khi dây được cắt, sẽ không có đường quay trở lại.

Tại sao không thêm một công tắc đèn để thay thế?

Tháng này, một nhóm từ Đại học California, San Francisco (UCSF) đã mô phỏng lại CRISPR để làm điều đó. Thay vì tác động trực tiếp lên gen — cắt bỏ hoặc hoán đổi các chữ cái di truyền một cách không thể thay đổi được—biến thể CRISPR mới nhắm mục tiêu vào bộ máy sinh học bật hoặc tắt gen một cách tự nhiên.

Dịch? CRISPR hiện có thể “bật công tắc đèn” để điều khiển gen — mà không cần chạm trực tiếp vào chúng. Nó trở nên tốt hơn. Công cụ mới, CRISPRoff, có thể khiến một gen im lặng trong hàng trăm thế hệ, ngay cả khi các tế bào chủ của nó biến đổi từ tế bào gốc thành các tế bào trưởng thành hơn, chẳng hạn như tế bào thần kinh. Khi gen “người đẹp đang ngủ” sẵn sàng thức dậy, một công cụ bổ sung, CRISPRon, sẽ bật lại công tắc đèn.

Công nghệ mới này “thay đổi trò chơi nên bây giờ về cơ bản bạn đang viết một sự thay đổi [thành gen] được truyền lại,” nói tác giả Tiến sĩ Luke Gilbert. “Theo một số cách, chúng tôi có thể học cách tạo phiên bản 2.0 của CRISPR-Cas9 an toàn hơn và hiệu quả hơn.”

Bạn đang đùa. Làm sao?

Điểm mấu chốt là thứ được gọi là di truyền biểu sinh. Đó là toàn bộ hệ thống hóa chất và protein kiểm soát việc bật hay tắt một gen.

Nếu điều đó nghe có vẻ khó hiểu, hãy bắt đầu với những gen thực sự trông như thế nào bên trong một tế bào và cách chúng hoạt động. Bằng cách "bật", ý tôi là các gen được tạo thành protein - thứ tạo nên hình dạng vật chất của chúng ta, kiểm soát sự trao đổi chất của chúng ta và khiến chúng ta hoạt động như con người đang sống, thở.

Các gen được nhúng vào bên trong chuỗi DNA quấn rất chặt chẽ xung quanh một protein lõi — loại giống như măng tây bọc thịt xông khói. Để các gen hoạt động, bước đầu tiên là chúng cần một loạt các protein để kéo nhẹ chuỗi DNA ra khỏi “măng tây”, để các gen hiện đang trôi nổi tự do bên trong khoang không gian tế bào của chúng, được gọi là nhân.

Một khi đoạn DNA bacon-y đó được giải phóng, sẽ có nhiều protein lao tới bám lấy gen này. Sau đó, chúng sẽ cuộn xuống các nucleotide của gen (A, T, C và G) giống như một chiếc máy cắt cỏ. Tuy nhiên, thay vì lớp phủ, “cỗ máy” sinh học này phun ra một sứ giả yêu cầu tế bào bắt đầu tạo ra các protein - mRNA. (Đúng, cùng một thứ tạo nên một số Các loại vắc-xin phòng ngừa covid-19.) mRNA chỉ đạo nhà máy sản xuất protein của tế bào của chúng ta bắt đầu sản xuất, và thật tuyệt vời, gen đó hiện đã được bật!

Bất cứ điều gì làm gián đoạn quá trình này sẽ làm ảnh hưởng đến khả năng biến thành protein của gen, về cơ bản là tắt nó. Nó cực kỳ mạnh mẽ - bởi vì một cỗ máy biểu sinh duy nhất có thể kiểm soát hàng trăm hoặc hàng nghìn gen. Đó là một công tắc đèn chính cho bộ gen.

Người viết bộ nhớ di truyền

Nhóm nghiên cứu đã bắt đầu với một hệ thống CRISPR có Cas9 bị vô hiệu hóa. Điều này có nghĩa là protein thường liên quan đến việc cắt một gen, Cas9, không thể cắt DNA được nữa, ngay cả khi được kết nối với vị trí chính xác bởi thành phần khác, RNA dẫn đường “chó săn”. Sau đó, họ nghiên cứu một loại protein có liên quan đến việc chuyển gen sang phiên bản CRISPR này.

Đây là phần thông minh: protein được thiết kế để tấn công quá trình biểu sinh tự nhiên để tắt các gen. Các gen thường bị tắt thông qua một quá trình tự nhiên được gọi là “methyl hóa”. Thông thường, quá trình này diễn ra nhất thời và có thể đảo ngược trên một gen. CRISPRoff chỉ huy quá trình này, lần lượt tắt bất kỳ gen nào được nhắm mục tiêu nhưng trong một khoảng thời gian dài hơn - mà không tách gen về mặt vật lý.

Nhờ sức mạnh "nâng cao" của biểu sinh, CRISPRoff cho phép các nhà nghiên cứu phát triển vượt bậc. Trong một thí nghiệm nhắm vào hơn 20,000 gen bên trong tế bào thận của con người bất tử bằng CRISPRoff, nhóm nghiên cứu đã có thể tắt các gen đó một cách đáng tin cậy.

Không hài lòng với con đường một chiều, nhóm tiếp theo đã thiết kế một biến thể CRISPR tương tự, với một protein liên quan đến biểu sinh khác, được gọi là CRISPRon. Trong các tế bào bên trong đĩa petri, CRISPRon có thể ghi đè CRISPRoff, và đến lượt nó, bật lại các gen.

“Giờ đây, chúng tôi có một công cụ đơn giản có thể làm im lặng phần lớn các gen,” nói tác giả nghiên cứu Tiến sĩ Jonathan Weissman. "Chúng tôi có thể làm điều này cho nhiều gen cùng một lúc mà không có bất kỳ tổn thương DNA nào ... và theo cách có thể đảo ngược."

Đi xa

Thậm chí điên rồ hơn, công tắc tắt kéo dài qua nhiều thế hệ. Khi nhóm nghiên cứu tắt một gen liên quan đến hệ thống miễn dịch, nó vẫn tồn tại trong 15 tháng - sau khoảng 450 thế hệ tế bào.

Các chỉnh sửa cũng kéo dài thông qua một sự chuyển đổi cơ bản, đó là hành trình của tế bào từ tế bào gốc đa năng cảm ứng (iPSC) thành tế bào thần kinh. iPSCs thường bắt đầu dưới dạng tế bào da, và được trẻ hóa thành tế bào gốc thông qua quá trình tắm hóa chất, khi chúng thực hiện chuyến hành trình thứ hai để trở thành tế bào thần kinh. Quá trình này thường xóa sạch các thay đổi biểu sinh. Nhưng trước sự ngạc nhiên của các tác giả, ảnh hưởng của CRISPRoff vẫn duy trì qua các lần chuyển đổi. Trong một thí nghiệm, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng việc tắt một gen liên quan đến bệnh Alzheimer trong iPSCs cũng làm giảm số lượng các protein độc hại được mã hóa sau đó trong các tế bào thần kinh kết quả.

Weissman cho biết: “Những gì chúng tôi đã cho thấy rằng đây là một chiến lược khả thi để làm im lặng Tau và ngăn không cho protein đó biểu hiện ra ngoài.

CRISPR 2.0

Đây không phải là lần đầu tiên ai đó cố gắng nhắm mục tiêu epigenome bằng CRISPR. Cùng một nhóm trước đây đã thử nghiệm với một tập hợp các biến thể CRISPR khác đã thử điều tương tự. Sự khác biệt giữa hai điều này là thời gian và sự ổn định. Với thiết lập trước đó, các nhà khoa học đã phải vật lộn để giữ cho "công tắc đèn" tắt trong một thế hệ duy nhất. Cái mới không gặp khó khăn khi duy trì bất kỳ thay đổi nào qua nhiều lần phân chia - và biến đổi - trong bộ gen.

Một đáng tin cậy CRISPR công cụ cho di truyền biểu sinh cực kỳ mạnh mẽ. Mặc dù chúng ta có những loại thuốc hoạt động theo những cách tương tự, nhưng chúng kém chính xác hơn nhiều và đi kèm với một liều tác dụng phụ. Tuy nhiên, hiện tại, CRISPRoff và CRISPRon chỉ hoạt động trong các tế bào trong đĩa petri, và bước tiếp theo hướng tới ưu thế bộ gen sẽ là đảm bảo chúng hoạt động trong cơ thể sống.

Nếu đúng như vậy, nó có thể thay đổi quá trình chỉnh sửa gen vĩnh viễn. Từ lập trình lại các mạch sinh học trong sinh học tổng hợp đến chiếm quyền điều khiển hoặc đảo ngược các mạch để ngăn ngừa bệnh tật, lập trình lại biểu sinh cung cấp một cách để thực hiện tất cả mà không cần chạm vào gen, loại bỏ mối đe dọa đột biến - đồng thời dẫn đến những ảnh hưởng lâu dài qua nhiều thế hệ.

“Tôi nghĩ rằng công cụ của chúng tôi thực sự cho phép chúng tôi bắt đầu nghiên cứu cơ chế của tính di truyền, đặc biệt là tính di truyền biểu sinh, đây là một câu hỏi lớn trong khoa học y sinh,” tác giả nghiên cứu, Tiến sĩ James Nuñez cho biết.

Ảnh: nobeastsofierce / Shutterstock.com

Coinsmart. Đặt cạnh Bitcoin-Börse ở Europa
Nguồn: https://singularityhub.com/2021/04/27/a-new-crispr-tool-flips-genes-on-and-off-like-a-light-switch/