CRISPR: เครื่องมือใหม่สำหรับการจัดการยีน

เมื่อเร็ว ๆ นี้นักวิทยาศาสตร์ได้พบกับเครื่องมือใหม่ที่น่าตื่นเต้นสำหรับวิศวกรด้าน DNA ระบบ CRISPR ไม่มีอะไรเกี่ยวข้องกับการรักษาผักไว้ในตู้เย็น เป็นตัวย่อสำหรับระบบใหม่ล่าสุดในการจัดการกับดีเอ็นเอจีโนมในสัตว์เกือบทุกชนิด นักวิจัยสามารถกำจัดหรือยับยั้งยีนในการยับยั้งการแสดงออกของยีนและควบคุมยีนเพื่อเพิ่มการแสดงออกด้วยเทคโนโลยี CRISPR

เป็นเทคนิคที่มีความยืดหยุ่นสูงมากที่นักวิจัยสามารถใช้เพื่อปรับเปลี่ยนการแสดงออกของยีนเพื่อทำความเข้าใจฟังก์ชันของพวกเขาได้ง่ายขึ้น

CRISPR คืออะไร?

CRISPR ย่อมาจาก

Clustered Regularly-Interspaced การตอบกลับแบบสั้น ๆ ของ Palindromic - ชื่อที่น่าเบื่ออย่างไม่น่าเชื่อสำหรับเทคโนโลยีอันน่าตื่นเต้น ทำไมชื่อที่น่าเบื่อ? เป็นเพราะเมื่อพวกเขาถูกค้นพบครั้งแรกในปลายทศวรรษที่ 1980 ในแบคทีเรียไม่มีใครรู้ว่าสิ่งที่ยืดระยะสั้นของดีเอ็นเอซ้ำ ๆ โดยแยกลำดับดีเอ็นเอสุ่มเป็น มันเป็นลักษณะแปลก ๆ ในจีโนมดีเอ็นเอของแบคทีเรียบางชนิด ต้องใช้เวลาเกือบ 20 ปีจนกระทั่งเจนนิเฟอร์ดูนนาจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียได้คิดว่าลำดับเหล่านี้สอดคล้องกับส่วนของดีเอ็นเอไวรัสที่ติดเชื้อแบคทีเรีย ผลปรากฎว่าลำดับ CRISPR เป็นระบบภูมิคุ้มกันสำหรับแบคทีเรีย

CRISPR ทำงานได้อย่างไร?

Doudna และผู้ทำงานร่วมกันของเธอ Emmanuelle Chapentier ในที่สุดก็พบว่าเมื่อเชื้อไวรัสติดเชื้อแบคทีเรียที่มีชิ้นดีเอ็นเอแบบทวารหนักสั้น ๆ เหล่านี้ที่จับคู่กับ DNA ของไวรัสจะใช้พวกเขาเพื่อทำให้อาร์เอ็นเอที่ผูกติดอยู่กับดีเอ็นเอของไวรัสที่บุกรุก .

จากนั้นชิ้นส่วนที่สองของ RNA ที่ทำจาก DNA แบบสุ่มที่แยกการทำซ้ำ CRISPR มีปฏิสัมพันธ์กับโปรตีนที่เรียกว่า Cas9 โปรตีนนี้จะตัดไวรัสดีเอ็นเอและยับยั้งเชื้อไวรัส

นักวิจัยได้ตระหนักว่าพวกเขาสามารถใช้ประโยชน์จากความสามารถนี้ของ CRISPR เพื่อตัดลำดับลำดับดีเอ็นเอที่เฉพาะเจาะจงออกเพื่อยับยั้งยีน

ขณะที่มีเทคนิคอื่น ๆ เช่น nucleases ของนิ้วสังกะสีและ TALENS ที่สามารถใช้เพื่อกำหนดเป้าหมายและตัดตำแหน่งเฉพาะใน DNA ของจีโนมได้วิธีการเหล่านี้อาศัยโปรตีนขนาดใหญ่เพื่อกำหนดเป้าหมายไปยังพื้นที่เฉพาะในดีเอ็นเอ ยากที่จะออกแบบและดำเนินการแก้ไขในระดับใหญ่ที่มียีนจำนวนมากโดยใช้วิธีการก่อนหน้านี้

CRISPR มีประโยชน์อะไร?

ระบบ CRISPR อาศัยเฉพาะ RNA สั้น ๆ 2 ชิ้น: หนึ่งที่ตรงกับพื้นที่ DNA ที่กำหนดเป้าหมายและหนึ่งวินาทีที่เชื่อมโยงกับโปรตีนชื่อ Cas9 ในความเป็นจริงแม้ว่าปรากฎว่าทั้งสองชิ้น RNA สั้น ๆ เหล่านี้สามารถรวมกันเป็นโมเลกุลอาร์เอ็นแอลอาร์เอนด์แบบ single-guide

แบบคู่

แบบคู่กันซึ่งเป้าหมายทั้งสองนี้มีจุดมุ่งหมายในลำดับดีเอ็นเอเฉพาะและนำมาใช้ในการดูดซับโปรตีน Cas9ซึ่งหมายความว่าโปรตีน Cas9 และ RNA สั้น ๆ ที่มีความยาว 85 เบสเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการตัด DNA ที่เกือบทุกที่ของจีโนม มันค่อนข้างง่ายที่จะแนะนำดีเอ็นเอเพื่อผลิต RNA คู่มือเดียวและโปรตีน Cas9 เกือบทุกเซลล์ทำให้ CRISPR โดยทั่วไปสามารถใช้งานได้

อย่างไรก็ตามการกำหนดเป้าหมายที่สะดวกไม่ใช่ข้อได้เปรียบเพียงอย่างเดียวของเทคโนโลยี CRISPR เหนือนิ้วมือ TALENS และสังกะสีอื่น ๆ ระบบ CRISPR มีประสิทธิภาพมากกว่าวิธีทางเลือกเหล่านี้ ตัวอย่างเช่นกลุ่มที่ Harvard พบว่า CRISPR ลบยีนที่กำหนดเป้าหมายใน 51% -79% ของกรณีในขณะที่ประสิทธิภาพของ TALENS น้อยกว่า 34% เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูงนี้กลุ่มอื่นจึงสามารถใช้เทคโนโลยี CRISPR เพื่อยับยั้งยีนในหนูตัวอ่อนได้โดยตรงเพื่อผลิตหนูพันธุ์ผสมเสร็จในรุ่นเดียว วิธีมาตรฐานต้องใช้พันธุ์คู่ผสมเพื่อให้เกิดการกลายพันธุ์ในทั้งสองสำเนาของยีนที่กำหนดเป้าหมาย CRISPR สามารถทำอะไรได้บ้าง?

นอกเหนือจากการลบยีนแล้วบางกลุ่มยังได้ตระหนักว่าด้วยสองสามทางเลือกหนึ่งระบบสามารถใช้สำหรับการจัดการทางพันธุกรรมประเภทอื่น ๆ ได้ ตัวอย่างเช่นในช่วงต้นปี 2013 กลุ่มจาก MIT พบว่า CRISPR สามารถใช้เพื่อแทรกยีนใหม่ลงใน DNA ของจีโนม หลังจากนั้นไม่นานกลุ่มที่ UCSF ใช้ระบบเวอร์ชันที่ได้รับการแก้ไขซึ่งมีชื่อว่า CRISPRi เพื่อยับยั้งการแสดงออกของยีนเป้าหมายในแบคทีเรีย

ไม่นานมานี้กลุ่มที่ Duke University ได้สร้างรูปแบบของระบบเพื่อเปิดใช้ชุดยีน หลายกลุ่มกำลังทำงานร่วมกับรูปแบบต่างๆของวิธีการเหล่านี้เพื่อยับยั้งยีนจำนวนมากในคราวเดียวเพื่อหาว่าใครมีส่วนร่วมในการตอบสนองทางชีววิทยาที่แตกต่างกันอย่างไร

ของเล่นประเภทใหม่ของวิศวกรรมทางพันธุกรรม

แน่นอนว่ามีความตื่นเต้นอย่างมากเกี่ยวกับเครื่องมือใหม่นี้สำหรับวิศวกรรมทางพันธุกรรมและความรีบเร่งในการนำไปใช้กับงานหลากหลายประเภท อย่างไรก็ตามยังคงมีความท้าทายบางอย่างที่ต้องเอาชนะและเช่นเดียวกับกรณีที่เกิดขึ้นกับเทคโนโลยีใหม่ ๆ ก็ต้องใช้เวลาสักครู่เพื่อหาข้อ จำกัด ตัวอย่างเช่นนักวิจัยจาก Harvard พบว่าการกำหนดเป้าหมายของ CRISPR อาจไม่แม่นยำเท่าที่คิดในตอนแรก

ผลงานนอกกรอบ

ของ CRISPR complex อาจนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงที่ไม่ได้ตั้งใจเมื่อมีการเปลี่ยนแปลง DNA

แม้จะมีความท้าทาย แต่ CRISPR ได้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่ยิ่งใหญ่ในการอำนวยความสะดวกในการเปลี่ยนแปลงของดีเอ็นเอของจีโนมซึ่งจะช่วยให้นักวิจัยเข้าใจได้ง่ายขึ้นว่านับหมื่นของยีนในระบบจีโนมของมนุษย์ นี้เพียงอย่างเดียวมีความสำคัญต่อการปรับปรุงการรักษาโรคและการวินิจฉัย นอกจากนี้ด้วยการพัฒนาเพิ่มเติมเทคโนโลยีตัวเองอาจเป็นประโยชน์สำหรับการบำบัดแบบใหม่ อาจเป็นแนวทางใหม่สำหรับการบำบัดด้วยยีน อย่างไรก็ตามความก้าวหน้าเหล่านี้เป็นวิธีการปิด สำหรับตอนนี้มันเป็นเรื่องน่าตื่นเต้นอย่างยิ่งที่ได้เห็นการพัฒนาเครื่องมือวิจัยใหม่นี้อย่างรวดเร็วและคิดถึงประเภทของการทดลองที่อาจอนุญาต (ประกาศ: 30 กันยายน 2013)