Novo orodje za manipulacijo z geni
To je zelo prilagodljiva tehnika, ki jo lahko raziskovalci uporabljajo za enostavno spreminjanje izražanja genov, da bi bolje razumeli njihovo funkcijo.
Kaj natančno je CRISPR?
CRISPR stoji za grozdane redno prepletene kratke palindromske ponovitve - neverjetno dolgočasno ime za razburljivo tehnologijo. Zakaj hudobno ime? To je zato, ker ko so bili prvič odkriti v poznih osemdesetih letih prejšnjega stoletja pri bakterijah, nihče ni vedel, za kaj so bili kratki deli ponovljene DNA, ločeni z naključnimi sekvencami DNA. Bili so le nekatere čudne lastnosti v genomski DNA nekaterih bakterij.
Trajalo je skoraj 20 let, dokler Jennifer Doudna na Kalifornijski univerzi ni ugotovila, da so se te zaporedije ujemale z deli nekaterih virusnih DNK, ki so okužile bakterije. Izkazalo se je, da so zaporedja CRISPR neke vrste imunski sistem za bakterije.
Kako deluje?
Doudna in njen sodelavec Emmanuelle Charpentier sta sčasoma ugotovila, da bakterije, ki so imele te kratek ponavljajoče dele DNA, ki so se ujemale z virusno DNA, okužile z virusom, bi jih uporabile za izdelavo RNK, ki se veže na DNA invadirajočega virusa.
Nato je drugi del RNK, izdelan iz naključne DNK, ki je ločil ponovitve CRISPR, interagirali s proteinom, imenovanim Cas9. Ta protein bi cepil virusno DNA in inaktiviral virus.
Raziskovalci so hitro ugotovili, da bi lahko izkoristili to zmožnost CRISPR-a, da bi razrezali določene sekvence DNA, da bi izničili gene.
Medtem ko obstajajo še druge tehnike, kot so nukleaze s cinkovimi prstmi in TALENS, ki se lahko uporabljajo za ciljanje in rezanje določenih lokacij v genomski DNA, ti pristopi temeljijo na debelih beljakovinah, da bi usmerili izmenjave na določene regije v DNA. Težko je načrtovati in izvajati spremembe v velikem obsegu z veliko geni, ki uporabljajo te starejše pristope.
Kaj je tako koristno?
Sistem CRISPR temelji le na dveh kratkih delih RNK: tisti, ki ustreza ciljni regiji DNK, in drugi, ki se veže na beljakovino, imenovano Cas9. Dejansko pa se izkaže, da sta oba kosa RNK lahko združena v dvojno funkcijo enosmerne RNK molekule, ki oba cilja na določeno sekvenco DNA in ustvarja Cas9 cepitveni protein. To pomeni, da sta beljakovica Cas9 in en kratek kos RNK, ki je dolga 85 baznih znakov, potreben za rezanje DNK skoraj v vseh genomih. Sorazmerno enostavno je uvesti DNA, da proizvedemo eno vodilo RNA in Cas9 protein skoraj vse celice, ki CRISPR splošno uporabljajo.
Vendar pa priročno ciljanje ni edina prednost tehnologije CRISPR nad drugimi TALENS in cinkovi prsti. Sistem CRISPR je tudi veliko bolj učinkovit od teh alternativnih pristopov.
Na primer, skupina na Harvardu je ugotovila, da je CRISPR izbrisal ciljni gen v 51% -79% primerov, medtem ko je učinkovitost TALENS znašala manj kot 34%. Druga skupina je zaradi te visoke učinkovitosti uporabljala tehnologijo CRISPR, da neposredno izniči gene v embrionalnih miših za proizvodnjo transgenih miši v eni generaciji. Standardni pristop zahteva nekaj generacij vzreje, da dobimo mutacijo v obeh izvodih ciljnega gena.
Kaj še lahko naredi?
Poleg brisanja gena so tudi nekatere skupine ugotovile, da se z nekaj spremembami sistem lahko uporablja za druge vrste genetske manipulacije. Na primer, v začetku leta 2013 je skupina iz MIT pokazala, da se CRISPR lahko uporablja za vstavljanje novih genov v genomsko DNA. Kmalu zatem je skupina v UCSF uporabila modificirano različico sistema, poimenovano CRISPRi, za zatiranje ekspresije ciljnih genov pri bakterijah.
V zadnjem času je skupina na univerzi Duke postavila tudi spremembo sistema za aktiviranje sklopov genov. Različne skupine se prav tako ukvarjajo s spreminjanjem teh pristopov, da bi si ogledali veliko število genov hkrati in ugotovili, katera je vključena v različne biološke odzive.
The Shiny New Toy za genetsko inženirstvo
Seveda obstaja ogromno navdušenje nad tem novim orodjem za gensko inženirstvo in hitrostjo, ki jo lahko uporabimo za različne aplikacije. Toda še vedno obstajajo nekateri izzivi, ki jih je treba premagati in, kot je pogosto v primeru nove tehnologije, je potrebno nekaj časa, da bi ugotovili, kje so omejitve. Raziskovalci na Harvardu so na primer ugotovili, da ciljanje na CRISPR morda ni tako natančno, kot je sprva mislilo. Zunaj-ciljni učinki kompleksa CRISPR lahko povzročijo nenamerne spremembe pri spreminjanju DNK.
Kljub izzivom pa je CRISPR očitno pokazal ogromen potencial za olajšanje spreminjanja genomske DNA, ki bo raziskovalcem omogočil hitrejše razumevanje, kako deluje deset tisoč genov v človeškem genomu. To samo ima pomembne posledice za izboljšave zdravljenja bolezni in diagnoze. Poleg tega je z dodatnim razvojem tehnologija lahko uporabna tudi za nove vrste terapevtov. Lahko zagotovi nov pristop za gensko terapijo . Vendar pa je ta napredek poti. Za zdaj je zelo razburljivo gledati hiter razvoj tega novega raziskovalnega orodja in razmišljati o vrstah poskusov, ki jih lahko dovolijo.
(Objavljeno: 30. september 2013)