Nhà khoa học phát hiện hệ thống giống CRISPR ở động vật: một cách mới để chỉnh sửa gen

Các nhà khoa học đang mở rộng ranh giới của việc chỉnh sửa gen. Một nghiên cứu mới vừa công bố hệ thống hướng dẫn RNA có thể lập trình đầu tiên ở sinh vật nhân chuẩn. Hệ thống này, dựa trên một loại protein có tên là Fanzor, sử dụng RNA làm hướng dẫn để nhắm mục tiêu chính xác DNA. Nó tương tự như hệ thống CRISPR nổi tiếng hiện nay, chủ yếu được tìm thấy ở vi khuẩn.

Ý nghĩa của khám phá này rất sâu rộng, vì nó mở ra những khả năng mới cho các kỹ thuật chỉnh sửa gen hiệu quả và hiệu quả hơn.

Biên giới mới trong chỉnh sửa gen

Hệ thống CRISPR-Cas, đã nhận được sự chú ý đáng kể trong những năm gần đây, lần đầu tiên được phát hiện ở sinh vật nhân sơ, bao gồm vi khuẩn và các sinh vật đơn bào khác thiếu nhân.

CRISPR, viết tắt của Cụm lặp lại Palindromic ngắn xen kẽ thường xuyên theo cụm, là một cơ chế bảo vệ tự nhiên được tìm thấy ở vi khuẩn và vi khuẩn cổ. Nó hoạt động như những chiếc “kéo” phân tử có thể chỉnh sửa DNA một cách chính xác. Nó bao gồm hai thành phần chính: một phân tử RNA hướng dẫn và một protein gọi là Cas9.

RNA hướng dẫn hoạt động như một thiết bị dẫn đường, hướng dẫn protein Cas9 đến một vị trí cụ thể trong bộ gen tương ứng với trình tự RNA. Khi protein Cas9 tấn công mục tiêu, nó sẽ cắt chuỗi DNA, cho phép các nhà nghiên cứu sửa đổi hoặc thay thế vật liệu di truyền với độ chính xác cao. Nó giống như cắt và dán gen, vì vậy người ta có thể dễ dàng hình dung phương pháp này hiệu quả và mạnh mẽ như thế nào.

CRISPR có khả năng sửa chữa các đột biến gen gây ra các bệnh di truyền, chẳng hạn như xơ nang và thiếu máu hồng cầu hình liềm. Nó có thể làm tăng năng suất cây trồng, cải thiện hàm lượng dinh dưỡng và làm cho cây trồng có khả năng chống lại sâu bệnh và các điều kiện môi trường bất lợi. Một số nhà khoa học thậm chí đang xem xét sử dụng CRISPR để hồi sinh các loài đã tuyệt chủng từ lâu. Trên thực tế, một số người đang tích cực cố gắng hồi sinh con quái vật có lông chẳng hạn.

Nhưng bất chấp tất cả những ưu điểm của nó, CRISPR không phải là hoàn hảo.

Các nhà khoa học từ lâu đã tự hỏi liệu các hệ thống tương tự có tồn tại ở sinh vật nhân thực, bao gồm nấm, thực vật và động vật — bao gồm cả con người chúng ta hay không. Một nghiên cứu gần đây do Feng Zhang và nhóm của ông tại Viện nghiên cứu não bộ McGovern danh tiếng tại MIT dẫn đầu đã cung cấp bằng chứng mạnh mẽ rằng các cơ chế cắt DNA do RNA hướng dẫn thực sự có mặt trong tất cả các giới của sự sống.

Hệ thống Fanzor

Vài năm trước, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra một loại hệ thống có thể lập trình RNA ở sinh vật nhân sơ được gọi là OMEGA, có những điểm tương đồng với protein Fanzor được tìm thấy ở sinh vật nhân chuẩn. Những quan sát này gợi ý về khả năng enzyme Fanzor cũng có thể sử dụng cơ chế hướng dẫn bởi RNA để nhắm mục tiêu và cắt DNA.

Trong nghiên cứu mới nhất của họ, các nhà nghiên cứu đã phân lập protein Fanzor từ nhiều loại sinh vật, bao gồm nấm, tảo và amip, cũng như một loài ngao có tên là quahog phương bắc. Đồng tác giả đầu tiên Makoto Saito đã dẫn đầu về đặc tính sinh hóa của protein Fanzor, cho thấy nó là một enzyme endonuclease có khả năng cắt DNA.

Các protein này sử dụng các RNA không mã hóa được gọi là ωRNA (OMEGA RNA) để nhắm mục tiêu các vị trí cụ thể trong bộ gen. Điều này đánh dấu lần đầu tiên một cơ chế như vậy được xác định ở sinh vật nhân chuẩn, đặc biệt là động vật.

Không giống như protein CRISPR, enzyme Fanzor được mã hóa trong bộ gen của sinh vật nhân chuẩn, nằm trong các phần tử có thể thay thế.

Một phân tích phát sinh loài do nhóm nghiên cứu thực hiện cho thấy gen Fanzor được chuyển từ vi khuẩn sang sinh vật nhân chuẩn thông qua một hiện tượng được gọi là chuyển gen ngang. Trái ngược với chuyển gen dọc, xảy ra trong quá trình sinh sản từ bố mẹ sang con cái, chuyển gen ngang liên quan đến việc chuyển vật liệu di truyền giữa các sinh vật thuộc cùng một loài hoặc khác loài.

Hệ thống OMEGA cổ đại này, thực sự có trước CRISPR, có nhiều đặc tính và có khả năng di chuyển giữa sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn. Hàm ý là các protein Fanzor có thể được sử dụng với vai trò tương tự như các protein CRISPR để hướng dẫn các thay đổi di truyền với độ chính xác trong phẫu thuật.

Zhang cho biết: “Các hệ thống dựa trên CRISPR được sử dụng rộng rãi và mạnh mẽ vì chúng có thể dễ dàng lập trình lại để nhắm mục tiêu vào các vị trí khác nhau trong bộ gen.

“Hệ thống mới này là một cách khác để tạo ra những thay đổi chính xác trong tế bào người, bổ sung cho các công cụ chỉnh sửa bộ gen mà chúng ta đã có.”

Tiềm năng chỉnh sửa phát hành

Để khám phá khả năng chỉnh sửa bộ gen của hệ thống Fanzor, các nhà nghiên cứu đã tiến hành thí nghiệm trên tế bào người. Kết quả cho thấy Fanzor có thể giới thiệu các phần chèn và xóa tại các vị trí được nhắm mục tiêu trong bộ gen.

Mặc dù ban đầu kém hiệu quả hơn hệ thống CRISPR-Cas trong việc cắt DNA, hiệu quả của hệ thống Fanzor đã được cải thiện thông qua kỹ thuật hệ thống. Nhóm nghiên cứu đã đưa các đột biến cụ thể vào protein, dẫn đến hoạt động của nó tăng gấp 10 lần.

Ngoài ra, không giống như một số hệ thống CRISPR và protein OMEGA TnpB, protein Fanzor thu được từ nấm không thể hiện hoạt động phụ, trong đó enzyme cắt mục tiêu DNA của nó cùng với việc phân hủy DNA hoặc RNA gần đó. Những phát hiện này chỉ ra rằng Fanzors có tiềm năng được phát triển thành một trình chỉnh sửa bộ gen hiệu quả và an toàn hơn.

Một tác giả đầu tiên khác của nghiên cứu, Peiyu Xu, tập trung phân tích cấu trúc phân tử của phức hợp Fanzor/ωRNA. Thông qua phân tích này, Xu phát hiện ra rằng Fanzor có những điểm tương đồng về cấu trúc với đối tác nhân sơ của nó, protein CRISPR-Cas12. Tuy nhiên, sự tương tác giữa ωRNA và miền xúc tác Fanzor rộng hơn, cho thấy rằng ωRNA có thể đóng một vai trò trong phản ứng xúc tác.

Cuối cùng, hệ thống của Fanzor nhỏ gọn hơn các protein CRISPR, có nghĩa là nó có thể được chuyển đến các tế bào và mô dễ dàng hơn.

Một tương lai đầy hứa hẹn

Tương tự như các hệ thống dựa trên CRISPR, hệ thống Fanzor có thể được lập trình lại để nhắm mục tiêu các vị trí cụ thể trong bộ gen. Tính linh hoạt này định vị nó như một công cụ tiềm năng mạnh mẽ để chỉnh sửa bộ gen trong các ứng dụng nghiên cứu và trị liệu. Và vì có nhiều endonuclease hướng dẫn bằng RNA, chẳng hạn như Fanzors, ở khắp các vương quốc khác nhau của sự sống, nên có khả năng các hệ thống RNA có thể lập trình bổ sung vẫn chưa được khám phá.

“Thiên nhiên thật tuyệt vời. Có rất nhiều sự đa dạng,” Zhang nói. “Có thể có nhiều hệ thống lập trình RNA hơn ngoài kia, và chúng tôi tiếp tục khám phá và hy vọng sẽ tìm thấy nhiều hơn nữa.”

Những phát hiện xuất hiện trên tạp chí thiên nhiên.