Chỉnh sửa và Kỹ thuật Hệ gen

Kỹ thuật hệ gen biến việc đọc DNA thành việc viết lại nó, sử dụng các công cụ có thể lập trình để cắt DNA tại các vị trí đã chọn, cho phép xóa, sửa chữa hoặc chèn các trình tự một cách chính xác.

Definition

Chỉnh sửa hệ gen là sự thay đổi có mục tiêu DNA của một sinh vật tại một vị trí đã chọn bằng cách sử dụng các nuclease có thể lập trình, nổi bật nhất là hệ thống CRISPR-Cas, trong đó một RNA dẫn hướng điều khiển một enzyme cắt một trình tự phù hợp.

Scope

Chủ đề này bao gồm các nền tảng của công nghệ DNA tái tổ hợp, các nuclease đích đã có trước CRISPR, hệ thống CRISPR-Cas9 và cách RNA dẫn hướng điều khiển việc cắt, các con đường sửa chữa hoàn thiện một chỉnh sửa, chỉnh sửa base và chỉnh sửa prime, cùng các ứng dụng chính và cân nhắc đạo đức của việc chỉnh sửa hệ gen. Nó đề cập đến việc sửa đổi hệ gen một cách có chủ đích; các nguồn tự nhiên của sự thay đổi trình tự được đề cập trong đột biến và tái tổ hợp.

Core questions

• Làm thế nào một RNA dẫn hướng điều khiển enzyme Cas9 đến một trình tự DNA cụ thể?
• Làm thế nào các con đường sửa chữa của tế bào biến một vết cắt có mục tiêu thành một sự xóa bỏ hoặc một sự sửa chữa chính xác?
• Làm thế nào chỉnh sửa base và chỉnh sửa prime thay đổi DNA mà không tạo ra vết cắt sợi đôi?
• Những ứng dụng và mối lo ngại đạo đức nào phát sinh từ khả năng chỉnh sửa hệ gen?

Key concepts

• DNA tái tổ hợp và các nuclease đích trước đó
• CRISPR-Cas9 và nhắm mục tiêu bằng RNA dẫn hướng
• Sửa chữa bằng nối đầu không tương đồng và sửa chữa định hướng tương đồng
• Chỉnh sửa base và chỉnh sửa prime
• Ứng dụng và đạo đức của việc chỉnh sửa

Mechanisms

Trong chỉnh sửa CRISPR, một RNA dẫn hướng ngắn bắt cặp base với một trình tự DNA đích và định vị nuclease Cas9 để cắt cả hai sợi; tế bào sau đó sửa chữa vết cắt bằng cách nối đầu không tương đồng dễ gây lỗi, có thể làm gián đoạn một gen, hoặc bằng cách sửa chữa định hướng tương đồng sử dụng một khuôn mẫu được cung cấp, có thể tạo ra một thay đổi chính xác, trong khi các bộ chỉnh sửa base và prime chuyển đổi hóa học hoặc viết lại các base mà không cần cắt đứt hoàn toàn sợi đôi.

Clinical relevance

Chỉnh sửa hệ gen đã tạo ra các liệu pháp được phê duyệt cho các rối loạn máu di truyền, thúc đẩy nghiên cứu về việc sửa chữa các đột biến gây bệnh và kỹ thuật liệu pháp tế bào, đồng thời đặt ra những câu hỏi đạo đức quan trọng, đặc biệt là về chỉnh sửa di truyền dòng mầm ở người; mục này mang tính giáo dục và không phải là hướng dẫn sử dụng lâm sàng.

History

Các kỹ thuật DNA tái tổ hợp từ những năm 1970 lần đầu tiên cho phép cắt và nối các gen, các nuclease kẽm ngón và TALEN đã mang lại khả năng nhắm mục tiêu có thể lập trình vào những năm 2000, và minh chứng năm 2012 rằng CRISPR-Cas9 có thể được lập trình bằng một RNA dẫn hướng đã làm cho việc chỉnh sửa chính xác trở nên đơn giản và phổ biến, giúp Doudna và Charpentier giành giải Nobel Hóa học năm 2020.

Debates

Chỉnh sửa dòng mầm di truyền ở người

Chỉnh sửa phôi hoặc tế bào mầm sẽ truyền những thay đổi cho các thế hệ tương lai, đặt ra những câu hỏi chưa được giải quyết về an toàn, sự đồng thuận, công bằng và ranh giới giữa điều trị và tăng cường; hầu hết các cơ quan chức năng hiện coi việc chỉnh sửa dòng mầm lâm sàng là quá sớm và đầy rẫy vấn đề đạo đức.

Key figures

• Jennifer Doudna
• Emmanuelle Charpentier
• Feng Zhang

Seminal works

• jinek2012

Frequently asked questions

CRISPR biết cắt ở đâu bằng cách nào?

Một RNA dẫn hướng ngắn mang một trình tự khớp với mục tiêu dự định; nó bắt cặp base với DNA đó và đưa enzyme Cas9 đến đúng vị trí, do đó việc thay đổi RNA dẫn hướng sẽ lập trình lại hệ thống để cắt một trình tự khác.

Chỉnh sửa CRISPR có luôn chính xác không?

Việc chỉnh sửa có thể có các tác động ngoài mục tiêu và việc sửa chữa một vết cắt không thể kiểm soát hoàn toàn, đó là lý do tại sao các phương pháp tiếp cận mới hơn như chỉnh sửa base và chỉnh sửa prime nhằm mục đích chính xác hơn và tại sao việc đánh giá an toàn là trọng tâm của bất kỳ mục đích sử dụng điều trị nào.