CRISPR และการแก้ไขจีโนม

นิวคลีเอสที่สามารถตั้งโปรแกรมได้ โดยเฉพาะระบบ CRISPR–Cas ที่นำโดย RNA ทำให้เกิดการตัด DNA แบบกำหนดเป้าหมาย ซึ่งช่วยให้นักวิจัยสามารถแก้ไขจีโนมได้อย่างง่ายดายอย่างไม่เคยมีมาก่อน

Definition

การแก้ไขจีโนมคือการเปลี่ยนแปลง DNA ของสิ่งมีชีวิตแบบกำหนดเป้าหมาย ณ ตำแหน่งที่เลือกโดยใช้นิวคลีเอสที่สามารถตั้งโปรแกรมได้ CRISPR–Cas เป็นระบบที่นำโดย RNA ซึ่งได้มาจากภูมิคุ้มกันของแบคทีเรีย โดยที่ RNA นำร่องจะนำนิวคลีเอส Cas ไปยังลำดับ DNA ที่ตรงกันเพื่อสร้างรอยตัดสองสายสำหรับการแก้ไข

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการแก้ไขจีโนมแบบกำหนดเป้าหมาย โดยเน้นที่ CRISPR–Cas ซึ่งกล่าวถึงต้นกำเนิดของ CRISPR ในแบคทีเรียในฐานะระบบภูมิคุ้มกันแบบปรับตัว หลักการของการตัด DNA โดย Cas9 ที่นำโดย RNA วิธีการซ่อมแซมรอยตัดที่เกิดขึ้นเพื่อลบหรือแทรกข้อมูลลำดับ และการเปรียบเทียบสั้นๆ กับนิวคลีเอสที่สามารถตั้งโปรแกรมได้ในยุคก่อนหน้า โดยจะกล่าวถึงวิธีการและตรรกะของมัน ส่วนวิธีการโคลน การเพิ่มจำนวน และการจัดลำดับที่กว้างขึ้นจะครอบคลุมในหัวข้อที่เกี่ยวข้อง

Core questions

• CRISPR มาจากไหนและมีหน้าที่ตามธรรมชาติอย่างไร?
• RNA นำร่องนำ Cas9 ไปยังลำดับ DNA ที่จำเพาะได้อย่างไร?
• รอยตัดสองสายถูกนำมาใช้เพื่อลบหรือแทรกข้อมูลลำดับได้อย่างไร?
• CRISPR เปรียบเทียบกับเครื่องมือแก้ไขจีโนมในยุคก่อนหน้าอย่างไร?

Key theories

การตัด DNA ที่นำโดย RNA

Jinek และคณะแสดงให้เห็นว่านิวคลีเอส Cas9 สามารถตั้งโปรแกรมโดย RNA นำร่องเดี่ยวเพื่อตัดลำดับ DNA ที่ตรงกันใดๆ ได้ เปลี่ยนระบบภูมิคุ้มกันของแบคทีเรียให้เป็นเครื่องมือแก้ไขที่หลากหลายและกำหนดเป้าหมายได้ง่าย

การแก้ไขที่นำโดยการซ่อมแซม

รอยตัดสองสายที่สร้างขึ้นที่เป้าหมายจะถูกซ่อมแซมโดยกลไกของเซลล์เอง ดังนั้นการเชื่อมปลายที่ผิดพลาดจะรบกวนยีน หรือการซ่อมแซมโดยอาศัยความคล้ายคลึงกันจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงที่กำหนดไว้ซึ่งจัดหาโดยแม่แบบ

Mechanisms

ในการแก้ไขด้วย CRISPR–Cas, RNA นำร่องจะจับคู่เบสกับลำดับ DNA เป้าหมายที่อยู่ติดกับโมทีฟการจดจำสั้นๆ ซึ่งจะนำนิวคลีเอส Cas ไปตัดทั้งสองสาย ณ ตำแหน่งนั้น จากนั้นเซลล์จะซ่อมแซมรอยตัด: การเชื่อมปลายแบบไม่เหมือนกันมักจะนำไปสู่การแทรกหรือลบขนาดเล็กที่ทำให้ยีนไม่ทำงาน ในขณะที่การซ่อมแซมโดยอาศัยความคล้ายคลึงกัน หากมีแม่แบบผู้บริจาค จะทำการเปลี่ยนแปลงลำดับที่แม่นยำ เนื่องจากความจำเพาะถูกกำหนดโดยลำดับ RNA นำร่อง ระบบนี้จึงง่ายต่อการเปลี่ยนเป้าหมายมากกว่านิวคลีเอสที่ตั้งโปรแกรมด้วยโปรตีนในยุคก่อนหน้ามาก

Clinical relevance

การแก้ไขจีโนมกำลังได้รับการพัฒนาสำหรับการบำบัดด้วยยีนและเซลล์ และเป็นเครื่องมือวิจัยมาตรฐาน ในขณะที่การใช้งานในมนุษย์ก่อให้เกิดข้อพิจารณาทางจริยธรรมที่สำคัญ ซึ่งนำเสนอในฐานะความสำคัญมากกว่าคำแนะนำทางคลินิก

History

จากการค้นพบว่าตำแหน่ง CRISPR เป็นระบบภูมิคุ้มกันแบบปรับตัวของแบคทีเรีย การสาธิตในปี 2012 โดย Doudna และ Charpentier ที่แสดงให้เห็นว่า Cas9 สามารถตั้งโปรแกรมด้วย RNA นำร่องเดี่ยวได้ ได้ก่อตั้งการแก้ไขจีโนมด้วย CRISPR ซึ่งได้รับการยอมรับจากรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 2020

Debates

การแก้ไขเซลล์สืบพันธุ์ของมนุษย์

การแก้ไขเซลล์ที่ถ่ายทอดได้ก่อให้เกิดข้อกังวลด้านจริยธรรมและความปลอดภัยเกี่ยวกับการยินยอม ผลกระทบนอกเป้าหมาย และความเท่าเทียมกัน; ชุมชนวิทยาศาสตร์ได้เรียกร้องให้ระมัดระวังในขณะที่การประยุกต์ใช้กับเซลล์ที่ไม่ถ่ายทอดได้กำลังก้าวหน้า

Key figures

• Jennifer Doudna
• Emmanuelle Charpentier

Seminal works

• jinek2012
• watson2013

Frequently asked questions

RNA นำร่องทำหน้าที่อะไรใน CRISPR?

มันจับคู่เบสกับลำดับ DNA ที่ตรงกันและนำนิวคลีเอส Cas ไปตัดที่นั่น ดังนั้นการเปลี่ยน RNA นำร่องจึงเปลี่ยนเป้าหมาย

การตัด DNA ทำให้เกิดการแก้ไขได้อย่างไร?

เซลล์จะซ่อมแซมรอยตัด; ขึ้นอยู่กับกลไกและแม่แบบที่ให้มา สิ่งนี้จะรบกวนยีนหรือนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงที่ตั้งใจไว้อย่างแม่นยำ