Wprowadzenie do edycji genomu CRISPR

Czym jest CRISPR i jak służy do edycji DNA

CRISPR/Cas to kompleks edycji genów stosowany w terapii genowej oraz jako narzędzie diagnostyczne. PASIEKA / Getty Images

Wyobraź sobie, że jesteś w stanie wyleczyć każdą chorobę genetyczną, zapobiegać bakteria zodporny na antybiotyki, przekształć komary, żeby nie mogę przenosić malarii , zapobiegać rakowi lub skutecznie przeszczepiać narządy zwierzęce ludziom bez odrzucenia. Molekularna maszyneria do osiągnięcia tych celów nie jest powieścią science fiction osadzoną w odległej przyszłości. Są to cele możliwe do osiągnięcia dzięki rodzinie Sekwencje DNA zwane CRISPR.

Co to jest CRISPR?

CRISPR (wymawiane „ostry”) to akronim od Clustered Regularly Interspaced Short Repeats, grupy sekwencji DNA występujących w bakteriach, które działają jako system obronny przed wirusami, które mogą zainfekować bakterie. CRISPR to kod genetyczny, który jest rozbijany przez „przerywniki” sekwencji wirusów, które zaatakowały bakterię. Jeśli bakterie ponownie napotkają wirusa, CRISPR działa jak rodzaj banku pamięci, ułatwiając obronę komórki.

Odkrycie CRISPR

CRISPR to powtarzające się sekwencje DNA. Andrew Brookes / Getty Images

Odkrycie zgrupowanych powtórzeń DNA nastąpiło niezależnie w latach 80. i 90. XX wieku przez badaczy z Japonii, Holandii i Hiszpanii. Akronim CRISPR został zaproponowany przez Francisco Mojica i Ruuda Jansena w 2001 roku w celu zmniejszenia zamieszania spowodowanego użyciem różnych akronimów przez różne zespoły badawcze w literaturze naukowej. Mojica postawił hipotezę, że CRISPR są formą bakterii nabyła odporność . W 2007 roku zespół kierowany przez Philippe'a Horvatha zweryfikował to eksperymentalnie. Nie minęło dużo czasu, zanim naukowcy znaleźli sposób na manipulowanie i używanie CRISPR w laboratorium. W 2013 roku laboratorium Zhang jako pierwsze opublikowało metodę inżynierii CRISPR do wykorzystania w edycji genomu myszy i człowieka.

Jak działa CRISPR

Kompleks edycji genów CRISPR-CAS9 ze Streptococcus pyogenes: Białko nukleazy Cas9 wykorzystuje sekwencję kierującą RNA (różowy) do cięcia DNA w miejscu komplementarnym (zielony). BIBLIOTEKA ZDJĘĆ MOLEKUUL / NAUKA / Getty Images

Zasadniczo, naturalnie występujący CRISPR daje możliwość wyszukiwania i niszczenia komórek. U bakterii CRISPR działa poprzez transkrypcję sekwencji rozdzielających, które identyfikują DNA wirusa docelowego. Jeden z enzymów wytwarzanych przez komórkę (np. Cas9) wiąże się następnie z docelowym DNA i tnie go, wyłączając docelowy gen i wyłączając wirusa.

W laboratorium Cas9 lub inny enzym tnie DNA, podczas gdy CRISPR mówi mu, gdzie go wyciąć. Zamiast używać sygnatur wirusów, naukowcy dostosowują przerywniki CRISPR w celu poszukiwania genów będących przedmiotem zainteresowania. Naukowcy zmodyfikowali Cas9 i inne białka, takie jak Cpf1, aby mogły albo wyciąć, albo aktywować gen. Wyłączenie i włączenie genu ułatwia naukowcom badanie funkcji genu. Wycięcie sekwencji DNA ułatwia zastąpienie jej inną sekwencją.

Dlaczego warto korzystać z CRISPR?

CRISPR nie jest pierwszym narzędziem do edycji genów w zestawie narzędzi biologa molekularnego. Inne techniki edycji genów obejmują nukleazy palca cynkowego (ZFN), nukleazy efektorowe podobne do aktywatora transkrypcji (TALEN) oraz zmodyfikowane meganukleazy z ruchomych elementów genetycznych. CRISPR jest techniką wszechstronną, ponieważ jest opłacalna, pozwala na ogromny wybór celów i może celować w miejsca niedostępne dla niektórych innych technik. Ale głównym powodem, dla którego jest to wielka sprawa, jest to, że jest niezwykle prosty w projektowaniu i użytkowaniu. Wszystko, czego potrzeba, to miejsce docelowe o długości 20 nukleotydów, które można wykonać konstruując przewodnik . Mechanizm i techniki są tak łatwe do zrozumienia i wykorzystania, że ​​stają się standardem w programach studiów licencjackich z biologii.

Zastosowania CRISPR

CRISPR można wykorzystać do opracowania nowych leków stosowanych w terapii genowej. DAVID MACK / Getty Images

Naukowcy wykorzystują CRISPR do tworzenia modeli komórkowych i zwierzęcych w celu identyfikacji genów powodujących choroby, opracowania terapii genowych i inżynierii organizmów, aby miały pożądane cechy.

Aktualne projekty badawcze obejmują:

• Stosowanie CRISPR do zapobiegać i leczyć HIV rak, anemia sierpowata, choroba Alzheimera, dystrofia mięśniowa i borelioza. Teoretycznie każdą chorobę z komponentem genetycznym można leczyć terapią genową.
• Opracowywanie nowych leków na ślepotę i choroby serca. CRISPR/Cas9 został użyty do usunięcia mutacji, która powoduje barwnikowe zwyrodnienie siatkówki.
• Wydłużenie okresu przydatności do spożycia łatwo psującej się żywności, zwiększenie odporności upraw na szkodniki i choroby oraz zwiększenie wartości odżywczej i wydajności. Na przykład zespół Rutgers University wykorzystał tę technikę, aby: uodparniają winogrona na mączniaka rzekomego .
• Przeszczepianie organów wieprzowych (ksenotransplanacja) na ludzi bez odrzucenia
• Oddawać mamuty włochate a może dinozaury i inne wymarłe gatunki
• Uodpornienie na komary do Plasmodium falciparum pasożyt wywołujący malarię

Oczywiście CRISPR i inne techniki edycji genomu są kontrowersyjne. W styczniu 2017 r. amerykańska FDA zaproponowała wytyczne dotyczące korzystania z tych technologii. Inne rządy również pracują nad regulacjami w celu zrównoważenia korzyści i ryzyka.

Wybrane referencje i dalsza lektura

• Barrangou R, Fremaux C, Deveau H, Richards M, Boyaval P, Parrot S, Romero DA, Horvath P (marzec 2007). „CRISPR zapewnia nabytą odporność na wirusy u prokariontów”. Nauki ścisłe . 315 (5819): 1709-12.
• Horvath P, Barrangou R (styczeń 2010). 'CRISPR/Cas, układ odpornościowy bakterii i archeonów'. Nauki ścisłe . 327 (5962): 167–70.
• Zhang F, Wen Y, Guo X (2014). 'CRISPR/Cas9 do edycji genomu: postęp, implikacje i wyzwania'. Genetyka molekularna człowieka . 23 (R1): R40–6.