การตัดต่อและวิศวกรรมจีโนม

วิศวกรรมจีโนมเปลี่ยนการอ่านดีเอ็นเอเป็นการเขียนดีเอ็นเอใหม่ โดยใช้เครื่องมือที่สามารถตั้งโปรแกรมได้ซึ่งตัดดีเอ็นเอในตำแหน่งที่เลือก เพื่อให้สามารถลบ แก้ไข หรือแทรกสารพันธุกรรมได้อย่างแม่นยำ

Definition

การตัดต่อจีโนมคือการเปลี่ยนแปลงดีเอ็นเอของสิ่งมีชีวิตในตำแหน่งที่เลือกโดยใช้นิวคลีเอสที่สามารถตั้งโปรแกรมได้ ซึ่งที่โดดเด่นที่สุดคือระบบ CRISPR-Cas โดยที่ไกด์อาร์เอ็นเอนำเอนไซม์ไปตัดลำดับที่ตรงกัน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมพื้นฐานของเทคโนโลยีดีเอ็นเอลูกผสม นิวคลีเอสแบบกำหนดเป้าหมายที่มาก่อน CRISPR ระบบ CRISPR-Cas9 และวิธีการที่ไกด์อาร์เอ็นเอนำทางการตัด การซ่อมแซมที่ทำให้การตัดต่อสมบูรณ์ การแก้ไขเบสและไพรม์ รวมถึงการประยุกต์ใช้หลักและข้อพิจารณาทางจริยธรรมของการตัดต่อจีโนม โดยจะกล่าวถึงการดัดแปลงจีโนมโดยเจตนา ส่วนแหล่งที่มาของการเปลี่ยนแปลงลำดับตามธรรมชาติจะครอบคลุมภายใต้การกลายพันธุ์และการรวมตัวใหม่

Core questions

• ไกด์อาร์เอ็นเอนำเอนไซม์ Cas9 ไปยังลำดับดีเอ็นเอที่เฉพาะเจาะจงได้อย่างไร?
• เส้นทางการซ่อมแซมของเซลล์เปลี่ยนการตัดเป้าหมายเป็นการลบหรือการแก้ไขที่แม่นยำได้อย่างไร?
• การแก้ไขเบสและไพรม์เปลี่ยนแปลงดีเอ็นเอโดยไม่ทำให้เกิดการแตกสองสายได้อย่างไร?
• การประยุกต์ใช้และข้อกังวลทางจริยธรรมใดบ้างที่เกิดขึ้นจากความสามารถในการตัดต่อจีโนม?

Key concepts

• ดีเอ็นเอลูกผสมและนิวคลีเอสแบบกำหนดเป้าหมายก่อนหน้านี้
• CRISPR-Cas9 และการกำหนดเป้าหมายด้วยไกด์อาร์เอ็นเอ
• การซ่อมแซมโดยการเชื่อมปลายแบบไม่จำเพาะเจาะจงและการซ่อมแซมโดยอาศัยความคล้ายคลึงกัน
• การแก้ไขเบสและการแก้ไขไพรม์
• การประยุกต์ใช้และจริยธรรมของการตัดต่อ

Mechanisms

ในการตัดต่อด้วย CRISPR ไกด์อาร์เอ็นเอสั้นๆ จะจับคู่เบสกับลำดับดีเอ็นเอเป้าหมายและวางตำแหน่งเอนไซม์ Cas9 เพื่อตัดทั้งสองสาย จากนั้นเซลล์จะซ่อมแซมรอยแตกโดยการเชื่อมปลายแบบไม่จำเพาะเจาะจงซึ่งอาจทำให้ยีนเสียหาย หรือโดยการซ่อมแซมโดยอาศัยความคล้ายคลึงกันโดยใช้แม่แบบที่จัดหาให้ซึ่งสามารถสร้างการเปลี่ยนแปลงที่แม่นยำได้ ในขณะที่ตัวแก้ไขเบสและไพรม์จะเปลี่ยนหรือเขียนเบสใหม่ทางเคมีโดยไม่ต้องมีการแตกสองสายเต็มรูปแบบ

Clinical relevance

การตัดต่อจีโนมได้นำไปสู่การบำบัดที่ได้รับการอนุมัติสำหรับความผิดปกติของเลือดที่ถ่ายทอดทางพันธุกรรม ขับเคลื่อนการวิจัยในการแก้ไขการกลายพันธุ์ที่ก่อให้เกิดโรคและการสร้างเซลล์บำบัด และก่อให้เกิดคำถามทางจริยธรรมที่สำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเกี่ยวกับการตัดต่อเซลล์สืบพันธุ์ของมนุษย์ที่ถ่ายทอดได้ บทความนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อการศึกษาและไม่ใช่แนวทางสำหรับการใช้งานทางคลินิก

History

เทคนิคดีเอ็นเอลูกผสมในทศวรรษ 1970 เป็นครั้งแรกที่ทำให้สามารถตัดและเชื่อมยีนได้ นิวคลีเอสแบบซิงค์ฟิงเกอร์และ TALEN นำมาซึ่งการกำหนดเป้าหมายที่สามารถตั้งโปรแกรมได้ในทศวรรษ 2000 และการสาธิตในปี 2012 ว่า CRISPR-Cas9 สามารถตั้งโปรแกรมด้วยไกด์อาร์เอ็นเอทำให้การตัดต่อที่แม่นยำเป็นเรื่องง่ายและแพร่หลาย ซึ่งทำให้ Doudna และ Charpentier ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 2020

Debates

การตัดต่อเซลล์สืบพันธุ์ของมนุษย์ที่ถ่ายทอดได้

การตัดต่อตัวอ่อนหรือเซลล์สืบพันธุ์จะส่งผ่านการเปลี่ยนแปลงไปยังคนรุ่นต่อไป ซึ่งก่อให้เกิดคำถามที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขเกี่ยวกับความปลอดภัย การยินยอม ความเท่าเทียม และเส้นแบ่งระหว่างการรักษาและการเสริมสร้างศักยภาพ ผู้มีอำนาจส่วนใหญ่ในปัจจุบันมองว่าการตัดต่อเซลล์สืบพันธุ์ทางคลินิกยังไม่เหมาะสมและมีปัญหาทางจริยธรรมอย่างมาก

Key figures

• Jennifer Doudna
• Emmanuelle Charpentier
• Feng Zhang

Seminal works

• jinek2012

Frequently asked questions

CRISPR รู้ได้อย่างไรว่าจะตัดที่ไหน?

ไกด์อาร์เอ็นเอสั้นๆ มีลำดับที่ตรงกับเป้าหมายที่ต้องการ โดยจะจับคู่เบสกับดีเอ็นเอนั้นและนำเอนไซม์ Cas9 ไปยังตำแหน่งที่ถูกต้อง ดังนั้นการเปลี่ยนไกด์อาร์เอ็นเอจะตั้งโปรแกรมระบบใหม่เพื่อตัดลำดับที่แตกต่างกัน

การตัดต่อด้วย CRISPR แม่นยำเสมอไปหรือไม่?

การตัดต่ออาจมีผลกระทบนอกเป้าหมายและการซ่อมแซมรอยตัดไม่สามารถควบคุมได้อย่างสมบูรณ์ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมแนวทางใหม่ๆ เช่น การแก้ไขเบสและไพรม์จึงมุ่งเป้าไปที่ความแม่นยำที่มากขึ้น และเหตุใดการประเมินความปลอดภัยจึงเป็นหัวใจสำคัญของการใช้งานในการบำบัดใดๆ