CRISPR và Chỉnh sửa bộ gen

Các nuclease có thể lập trình, đặc biệt là hệ thống CRISPR-Cas dẫn đường bằng RNA, tạo ra các vết cắt có mục tiêu trong DNA, cho phép các nhà nghiên cứu chỉnh sửa bộ gen một cách dễ dàng chưa từng có.

Definition

Chỉnh sửa bộ gen là sự thay đổi có mục tiêu của DNA của một sinh vật tại các vị trí được chọn bằng cách sử dụng các nuclease có thể lập trình; CRISPR-Cas là một hệ thống dẫn đường bằng RNA, có nguồn gốc từ miễn dịch vi khuẩn, trong đó một RNA dẫn đường hướng nuclease Cas đến một trình tự DNA phù hợp để tạo ra một vết đứt sợi đôi để chỉnh sửa.

Scope

Chủ đề này bao gồm chỉnh sửa bộ gen có mục tiêu, tập trung vào CRISPR-Cas. Nó đề cập đến nguồn gốc vi khuẩn của CRISPR như một hệ thống miễn dịch thích nghi, nguyên tắc cắt DNA dẫn đường bằng RNA của Cas9, cách vết đứt tạo ra được sửa chữa để xóa hoặc chèn trình tự, và so sánh ngắn gọn với các nuclease có thể lập trình trước đó. Nó đề cập đến phương pháp và logic của nó; các phương pháp nhân bản, khuếch đại và giải trình tự rộng hơn được đề cập trong các chủ đề liên quan.

Core questions

• CRISPR có nguồn gốc từ đâu và chức năng tự nhiên của nó là gì?
• RNA dẫn đường hướng Cas9 đến một trình tự DNA cụ thể như thế nào?
• Vết đứt sợi đôi được sử dụng để xóa hoặc chèn trình tự như thế nào?
• CRISPR so sánh với các công cụ chỉnh sửa bộ gen trước đây như thế nào?

Key theories

Cắt DNA dẫn đường bằng RNA

Jinek và các đồng nghiệp đã chỉ ra rằng nuclease Cas9 có thể được lập trình bằng một RNA dẫn đường duy nhất để cắt bất kỳ trình tự DNA phù hợp nào, biến một hệ thống miễn dịch vi khuẩn thành một công cụ chỉnh sửa linh hoạt, dễ dàng nhắm mục tiêu.

Chỉnh sửa định hướng sửa chữa

Vết đứt sợi đôi được tạo ra tại mục tiêu được sửa chữa bởi các con đường riêng của tế bào, sao cho việc nối đầu dễ gây lỗi làm gián đoạn một gen hoặc sửa chữa định hướng tương đồng đưa vào một thay đổi xác định được cung cấp bởi một khuôn mẫu.

Mechanisms

Trong chỉnh sửa CRISPR-Cas, một RNA dẫn đường bắt cặp bazơ với một trình tự DNA đích liền kề với một motif nhận dạng ngắn, hướng nuclease Cas cắt cả hai sợi tại vị trí đó. Sau đó, tế bào sửa chữa vết đứt: nối đầu không tương đồng (non-homologous end joining) thường tạo ra các chèn hoặc xóa nhỏ làm bất hoạt gen, trong khi sửa chữa định hướng tương đồng (homology-directed repair), với một khuôn mẫu cho, sẽ cài đặt một thay đổi trình tự chính xác. Vì tính đặc hiệu được thiết lập đơn giản bằng trình tự RNA dẫn đường, hệ thống này dễ dàng định hướng lại hơn nhiều so với các nuclease được lập trình bằng protein trước đây.

Clinical relevance

Chỉnh sửa bộ gen đang được phát triển cho các liệu pháp gen và tế bào và là một công cụ nghiên cứu tiêu chuẩn, trong khi việc sử dụng nó ở người đặt ra những cân nhắc đạo đức đáng kể; được trình bày như ý nghĩa hơn là hướng dẫn lâm sàng.

History

Dựa trên phát hiện rằng các locus CRISPR tạo thành một hệ thống miễn dịch thích nghi của vi khuẩn, cuộc trình diễn năm 2012 của Doudna và Charpentier rằng Cas9 có thể được lập trình bằng một RNA dẫn đường duy nhất đã thiết lập chỉnh sửa bộ gen CRISPR, được công nhận bởi Giải Nobel Hóa học năm 2020.

Debates

Chỉnh sửa dòng mầm người

Chỉnh sửa các tế bào di truyền đặt ra những lo ngại về đạo đức và an toàn liên quan đến sự đồng ý, các tác động ngoài mục tiêu và sự công bằng; cộng đồng khoa học đã kêu gọi thận trọng trong khi các ứng dụng cho các tế bào không di truyền đang tiến triển.

Key figures

• Jennifer Doudna
• Emmanuelle Charpentier

Seminal works

• jinek2012
• watson2013

Frequently asked questions

RNA dẫn đường làm gì trong CRISPR?

Nó bắt cặp bazơ với một trình tự DNA phù hợp và hướng nuclease Cas cắt ở đó, do đó việc thay đổi RNA dẫn đường sẽ thay đổi mục tiêu.

Việc cắt DNA dẫn đến chỉnh sửa như thế nào?

Tế bào sửa chữa vết đứt; tùy thuộc vào con đường và bất kỳ khuôn mẫu nào được cung cấp, điều này hoặc làm gián đoạn gen hoặc đưa vào một thay đổi chính xác theo ý muốn.