CRISPR: Ένα νέο εργαλείο για τη χειραγώγηση των γονιδίων

Πρόσφατα οι επιστήμονες έχουν βρει ένα συναρπαστικό νέο εργαλείο με το οποίο θα κατασκευάσει το DNA. ο CRISPR σύστημα δεν έχει καμία σχέση με τη διατήρηση των λαχανικών σας φρέσκα στο ψυγείο. Είναι το ακρωνύμιο για το νεότερο σύστημα να χειρίζεται γενωμικό DNA σχεδόν σε οποιοδήποτε ζώο. Οι ερευνητές κατάφεραν να χτυπήσουν ή να εξαλείψουν τα γονίδια, να καταστείλουν την έκφραση γονιδίων και να ρυθμίσουν τα γονίδια για να αυξήσουν την έκφραση με την τεχνολογία CRISPR. Είναι μια πολύ ευέλικτη τεχνική που οι ερευνητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν για να αλλάξουν εύκολα την έκφραση των γονιδίων για να κατανοήσουν καλύτερα τη λειτουργία τους.

Τι ακριβώς είναι το CRISPR;

CRISPR σημαίνει Συγκεντρωμένες τακτικές παλινδρομικές επαναλαμβανόμενες συστοιχίες -Ένα απίστευτα βαρετό όνομα για μια συναρπαστική τεχνολογία. Γιατί το κουραστικό όνομα; Είναι επειδή, όταν ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά στα βακτήρια στα τέλη της δεκαετίας του 1980, κανείς δεν ήξερε τι ήταν τα σύντομα τμήματα επαναλαμβανόμενου DNA που χωρίστηκαν από τυχαίες ακολουθίες DNA. Ήταν απλά ένα περίεργο χαρακτηριστικό στο γονιδιωματικό DNA κάποιων βακτηριδίων.

Χρειάστηκαν σχεδόν 20 χρόνια έως ότου η Jennifer Doudna στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας διαπίστωσε ότι αυτές οι αλληλουχίες ταιριάζουν με τμήματα συγκεκριμένου ιικού DNA που μολύνθηκε από τα βακτηρίδια. Όπως αποδείχθηκε, οι αλληλουχίες CRISPR ήταν ένα είδος ανοσοποιητικού συστήματος για τα βακτήρια.

Πώς λειτουργεί?

Η Doudna και ο συνεργάτης της, Emmanuelle Charpentier, τελικά επεξεργάστηκαν ότι, όταν μολυνθούν από ιό, τα βακτήρια που είχαν αυτά τα σύντομα επαναλαμβανόμενα κομμάτια DNA που ταιριάζουν με το ιογενές DNA θα τα χρησιμοποιήσουν για να κάνουν το RNA που συνδέεται με το DNA του εισβάλλοντος ιού. Στη συνέχεια, ένα δεύτερο κομμάτι RNA που κατασκευάστηκε από το τυχαίο DNA που διαχώρισε τις επαναλήψεις CRISPR αλληλεπιδρά με μια πρωτεΐνη που ονομάζεται Cas9. Αυτή η πρωτεΐνη θα διασπά το DNA του ιού και θα απενεργοποιεί τον ιό.

Οι ερευνητές γρήγορα συνειδητοποίησαν ότι θα μπορούσαν να εκμεταλλευτούν αυτήν την ικανότητα του CRISPR να αποκόψει τις συγκεκριμένες αλληλουχίες DNA για να χτυπήσουν γονίδια. Ενώ υπάρχουν και άλλες τεχνικές, όπως νουκλεάσες δακτύλου ψευδαργύρου και TALENS που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να στοχεύσουν και να κόψουν ειδικές θέσεις στο γονιδιωματικό DNA, αυτές οι προσεγγίσεις βασίζονται σε ογκώδεις πρωτεΐνες για να στοχεύσουν τις εναλλαγές σε συγκεκριμένες περιοχές του DNA. Είναι δύσκολο να σχεδιάσετε και να πραγματοποιήσετε τροποποιήσεις σε μεγάλη κλίμακα με πολλά γονίδια χρησιμοποιώντας αυτές τις προηγούμενες προσεγγίσεις.

Τι το κάνει τόσο χρήσιμο;

Το σύστημα CRISPR βασίζεται μόνο σε δύο σύντομα κομμάτια RNA: ένα που ταιριάζει με την στοχευμένη περιοχή DNA και ένα δεύτερο που συνδέεται με μια πρωτεΐνη που ονομάζεται Cas9. Στην πραγματικότητα, όμως, αποδεικνύεται ότι αμφότερα αυτά τα σύντομα κομμάτια RNA μπορούν να συνδυαστούν σε μια διπλή λειτουργία ενιαίο οδηγό Μόριο RNA που και οι δύο στοχεύουν σε μια συγκεκριμένη αλληλουχία ϋΝΑ και προσλαμβάνουν την πρωτεΐνη διασπάσεως Cas9. Αυτό σημαίνει ότι η πρωτεΐνη Cas9 και ένα σύντομο κομμάτι RNA μήκους 85 βάσεων είναι μόνο αυτό που χρειάζεται για να κόψετε ένα DNA σχεδόν σε οποιοδήποτε σημείο του γονιδιώματος.

Είναι σχετικά απλό να εισαχθεί το DNA για να παράγει ένα RNA ενός οδηγού και η πρωτεΐνη Cas9 σχεδόν σε όλα τα κύτταρα που καθιστούν γενικά εφαρμόσιμη την CRISPR.

Ωστόσο, η βολική στόχευση δεν είναι το μόνο πλεονέκτημα της τεχνολογίας CRISPR έναντι άλλων δακτύλων TALENS και ψευδαργύρου. Το σύστημα CRISPR είναι επίσης πολύ πιο αποτελεσματικό από αυτές τις εναλλακτικές προσεγγίσεις. Για παράδειγμα, μια ομάδα στο Χάρβαρντ διαπίστωσε ότι το CRISPR διέγραψε ένα στοχευόμενο γονίδιο στο 51% -79% των περιπτώσεων, ενώ η αποτελεσματικότητα του TALENS ήταν μικρότερη από 34%. Λόγω αυτής της υψηλής απόδοσης, μια άλλη ομάδα μπόρεσε να χρησιμοποιήσει την τεχνολογία CRISPR για να χτυπήσει άμεσα γονίδια σε εμβρυϊκούς ποντικούς για να παράγει διαγονιδιακά ποντίκια σε μία μόνο γενιά.

Η τυπική προσέγγιση απαιτεί μια γενεά ζευγαριών αναπαραγωγής να πάρει τη μετάλλαξη και στα δύο αντίγραφα ενός στοχευόμενου γονιδίου.

Τι άλλο μπορεί να κάνει;

Εκτός από τη διαγραφή ενός γονιδίου, ορισμένες ομάδες συνειδητοποίησαν επίσης ότι, με λίγες εναλλαγές, το σύστημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για άλλα είδη γενετικών χειρισμών. Για παράδειγμα, στις αρχές του 2013, μια ομάδα από το MIT έδειξε ότι το CRISPR θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την εισαγωγή νέων γονιδίων στο γονιδιωματικό DNA. Λίγο αργότερα μια ομάδα στο UCSF χρησιμοποίησε μια τροποποιημένη έκδοση του συστήματος που ονομάστηκε CRISPRi για να καταστείλει την έκφραση των γονιδίων στόχων στα βακτήρια. Πιο πρόσφατα, μια ομάδα στο πανεπιστήμιο Duke δημιούργησε επίσης μια παραλλαγή του συστήματος για να ενεργοποιήσει σύνολα γονιδίων.

Ορισμένες ομάδες επίσης εργάζονται τώρα με παραλλαγές αυτών των προσεγγίσεων για την εξέταση μεγάλου αριθμού γονιδίων ταυτόχρονα για να καταλάβουν ποιοι συμμετέχουν σε διαφορετικές βιολογικές απαντήσεις.

Το λαμπερό νέο παιχνίδι γενετικής μηχανικής

Σίγουρα, υπάρχει τεράστιο ενθουσιασμό για αυτό το νέο εργαλείο για τη γενετική μηχανική και η βιασύνη για την εφαρμογή του για μια ποικιλία εφαρμογών. Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν ορισμένες προκλήσεις που πρέπει να ξεπεραστούν και, όπως συμβαίνει συχνά με τη νέα τεχνολογία, χρειάζεται κάποια στιγμή να εξευρεθούν οι περιορισμοί. Οι ερευνητές στο Χάρβαρντ, για παράδειγμα, έχουν διαπιστώσει ότι η στόχευση CRISPR μπορεί να μην είναι τόσο ακριβής όσο αρχικά νόμιζε. Εκτος στόχου τα αποτελέσματα του συμπλέγματος CRISPR μπορούν να οδηγήσουν σε ακούσιες αλλαγές όταν μεταβάλλουν το DNA.

Παρά τις προκλήσεις, όμως, το CRISPR έχει σαφώς δείξει τεράστιες δυνατότητες για να διευκολύνει τη μεταβολή του γονιδιωματικού DNA που θα βοηθήσει τους ερευνητές να κατανοήσουν ταχύτερα πώς λειτουργούν οι δεκάδες χιλιάδες γονιδίων στο ανθρώπινο γονιδίωμα. Αυτό μόνο έχει σημαντικές επιπτώσεις για τη βελτίωση της θεραπείας και της διάγνωσης της νόσου. Περαιτέρω, με πρόσθετη ανάπτυξη, η ίδια η τεχνολογία μπορεί να είναι χρήσιμη για ένα νέο τύπο θεραπευτικής. Μπορεί να προσφέρει μια νέα προσέγγιση για τη γονιδιακή θεραπεία. Ωστόσο, αυτές οι εξελίξεις είναι τρόποι.

Προς το παρόν, είναι πραγματικά συναρπαστικό να παρακολουθήσουμε την ταχεία ανάπτυξη αυτού του νέου εργαλείου έρευνας και να σκεφτούμε τους τύπους πειραμάτων που μπορεί να επιτρέψει.

(Δημοσιεύθηκε: 30 Σεπτεμβρίου 2013)