Nghe có vẻ giống như một thương hiệu ngũ cốc nhưng CRISPR là một trong những cuộc cách mạng quan trọng nhất về di truyền học trong suốt cuộc đời của chúng ta. Trong những tháng gần đây, nhiều câu chuyện đã xuất hiện về các nhà nghiên cứu sử dụng protein CRISPR-Cas để chỉnh sửa hiệu quả trình tự di truyền của DNA, tiêu diệt HIV, ăn Zika như Pac-man và lưu trữ một tệp GIF trong DNA của vi khuẩn .
Tuy nhiên, bất chấp tiềm năng của CRISPR, đây là một thủ tục cực kỳ gây tranh cãi. Nó yêu cầu các sợi DNA phải được cắt và thay đổi hoàn toàn để thay đổi cấu tạo gen của một người và hai nghiên cứu mới đã liên kết công nghệ chỉnh sửa gen như vậy với sự gia tăng ung thư.
Các giấy tờ, từng cái một Novartis và cái khác bởi Viện Karolinska , xuất bản nămY học tự nhiên, kết luận rằng các kỹ thuật trị liệu gen có thể làm suy yếu khả năng chống lại khối u của một người và có thể làm phát sinh ung thư, làm dấy lên lo ngại về sự an toàn của các liệu pháp gen dựa trên CRISPR.
Mặc dù vậy, hãy sao lưu một chút.
Xem liên quan Tế bào gốc là gì và chúng có thể thay đổi thuốc như thế nào? Ghép đầu người: Thủ tục gây tranh cãi được thực hiện thành công trên tử thi; thủ tục trực tiếp sắp xảy ra
Hai bài báo tập trung vào gen p53. Nghiên cứu trước đây đã phát hiện ra rằng một số khối u ở người không thể phát triển nếu gen p53 hoạt động bình thường. Kết quả là, p53 hoạt động như một cơ chế bảo vệ tự nhiên để bảo vệ bộ gen khỏi các loại thay đổi do CRISPR-Cas9 thực hiện. Khi CRISPR-Cas9 được sử dụng để chỉnh sửa cấu trúc gen của một người, gen p53 sẽ tự vệ và tiêu diệt hiệu quả các tế bào đã chỉnh sửa bằng cách khiến chúng tự hủy. Trên thực tế, chính gen này đã làm chậm tiến độ và hiệu quả của kỹ thuật CRISPR trong một số thử nghiệm.
Tuy nhiên, trong trường hợp CRISPR-Cas9 đã thực hiện chỉnh sửa thành công bộ gen của một người, điều đó cho thấy gen p53 của tế bào cụ thể bị lỗi hoặc rối loạn chức năng. Ngược lại, điều này có thể liên quan đến việc cơ thể ít có khả năng chống lại bệnh ung thư. Đặc biệt, p53 bị lỗi có thể gây ratế bào phát triển không kiểm soát và trở thành ung thư, và có liên quan đến các trường hợpung thư buồng trứng, ruột kết và trực tràng.
Bằng cách chọn các tế bào đã sửa chữa thành công gen bị hư hỏng mà chúng tôi dự định sửa chữa, chúng tôi cũng có thể vô tình chọn các tế bào không có chức năng p53, tác giả nghiên cứu Emma Haapaniemi từ Viện Karolinska giải thích . Nếu được cấy ghép vào bệnh nhân, như trong liệu pháp gen đối với các bệnh di truyền, các tế bào như vậy có thể phát sinh ung thư, làm dấy lên lo ngại về sự an toàn của các liệu pháp gen dựa trên CRISPR.
Tuy nhiên, cần lưu ý rằng có mối liên hệ với ung thư không giống như gây ra ung thư và kết quả trong hai nghiên cứu này là những gì được gọi là sơ bộ, có nghĩa là cần phải làm thêm để củng cố hoặc bác bỏ các phát hiện. Các nhà nghiên cứu thậm chí còn nhanh chóng tránh xa việc nói rằng CRISPR là nguy hiểm. Thay vào đó, họ đưa ra các vấn đề hợp lệ và khuyên các công ty và nhà khoa học đang tiến hành các thử nghiệm lâm sàng nên lưu tâm đến mối liên hệ.
Các nghiên cứu cũng tập trung vào một loại kỹ thuật chỉnh sửa CRISPR rất đặc biệt - protein Cas-9 được sử dụng để chỉnh sửa DNA bị bệnh bằng cách chèn DNA khỏe mạnh, đã chỉnh sửa - và cần nghiên cứu thêm để xem liệu các hình thức chỉnh sửa gen khác có gây ra những lo ngại tương tự hay không. Thật vậy, trong nỗ lực giải quyết những lời chỉ trích tương tự trước đây, các nhà nghiên cứu từ Viện Salk gần đây đã báo cáo một cách giải quyết. Thay vì chỉnh sửa gen, phương pháp CRISPR được gọi là biểu sinh (hoặc trên gen) của chúng sẽ cho thấy các gen được bật hoặc tắt, thay vì bị cắt.
Bằng cách sửa đổi epigenome, các nhà khoa học có thể kiểm soát hành vi của gen mà không cần sửa đổi trực tiếp bất kỳ DNA nào; chỉnh sửa gen hơn là chỉnh sửa gen. Trong thử nghiệm trên chuột, các nhà khoa học đã đảo ngược các triệu chứng của bệnh thận, tiểu đường loại 1 và một dạng loạn dưỡng cơ. Nó cũng có tiềm năng xóa bỏ bệnh Alzheimer’s.
CRISPR-Cas9 là gì?
CRISPR-Cas9 là một công cụ chỉnh sửa bộ gen có thể cắt DNA theo cách có mục tiêu, cho phép các nhà khoa học chỉnh sửa chính xác các khối xây dựng của sự sống. Bạn có thể sẽ thấy nó được đề cập cùng với bộ đôi ít nổi tiếng hơn là CRISPR-Cas1 và CRISPR-Cas2 - cả hai đều cắt các đoạn DNA thành bộ gen của vi khuẩn (sẽ nói thêm về điều đó ở phần sau).
Cas9 thực sự được quan sát thấy lần đầu tiên vào những năm 1980 như một phần của cơ chế bảo vệ vi khuẩn đơn bào, đảm bảo rằng các tế bào có thể loại bỏ những kẻ xâm nhập không mong muốn. Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng, bằng cách điều chỉnh công nghệ, họ có thể nhắm mục tiêu các trình tự bộ gen với tốc độ, độ chính xác và độ chính xác chưa từng có.
Hình ảnh CRISPR-Cas9 giống như một tìm kiếm tìm và thay thế trong tài liệu máy tính, chỉ thay vì từ, bạn đang chỉnh sửa trình tự gen.Việc sửa đổi chính xác DNA là một chén thánh khoa học và tiềm năng là rất lớn. Nó có thể được sử dụng để loại bỏ các bệnh - ngay cả những bệnh di truyền như xơ nang, thiếu máu hồng cầu hình liềm và Huntington có thể trở thành dĩ vãng.
Tên CRISPR là từ viết tắt của cụm ít hấp dẫn được tập hợp lại thường xuyên xen kẽ các đoạn palindromic ngắn. Phần Cas đề cập đến CRISPR được liên kết.
CRISPR-Cas9: Nó hoạt động như thế nào?
CRISPR là một phần của hệ thống phòng thủ tự nhiên của một số vi khuẩn. Khi vi khuẩn phát hiện ra vi rút xâm nhập, vi khuẩn có thể sao chép và pha trộn các đoạn DNA ngoại lai vào bộ gen của chính nó xung quanh CRISPR. Cas9 thực hiện việc cắt, trong khi Cas1 và Cas2 chèn DNA bên ngoài vào bộ gen của tế bào.
làm thế nào để xem bạn có ram nào
Lần tiếp theo khi virus được phát hiện, CRISPR sẽ có một bản sao chính xác của trình tự bộ gen để tìm kiếm, đó là nơi protein Cas đi vào: nó có thể cắt DNA và vô hiệu hóa các gen không mong muốn với độ chính xác đáng kinh ngạc.
Hoặc là, như Carl Zimmer giải thích : Khi vùng CRISPR chứa đầy DNA của virus, nó sẽ trở thành một phòng trưng bày phân tử được mong muốn nhất, đại diện cho những kẻ thù mà vi khuẩn đã gặp phải. Sau đó, vi khuẩn có thể sử dụng DNA của virus này để biến các enzym Cas thành vũ khí dẫn đường chính xác. Vi khuẩn sao chép vật liệu di truyền trong mỗi ống đệm thành một phân tử RNA. Sau đó, các enzym Cas tiếp nhận một trong các phân tử ARN và đặt nó. Cùng với nhau, RNA của virus và các enzyme Cas trôi qua tế bào. Nếu chúng gặp vật liệu di truyền từ một loại vi-rút phù hợp với CRISPR RNA, RNA sẽ bám chặt. Sau đó, các enzym Cas sẽ cắt đôi DNA, ngăn không cho virus nhân lên.
Năm 2012, các nhà khoa học từ Đại học California, Berkeley, đã công bố một giấy khởi công cho thấy họ có thể lập trình lại hệ thống miễn dịch CRISPR-Cas để chỉnh sửa gen theo ý muốn. CRISPR-Cas9 sử dụng một protein Cas cụ thể và một RNA lai có thể xác định và chỉnh sửa bất kỳ trình tự gen nào. Khả năng là rất lớn.
Tóm lại, CRISPR liệt kê các trình tự DNA để nhắm mục tiêu, và sau đó Cas9 thực hiện việc cắt. Các nhà khoa học chỉ cần lập trình CRISPR với mã phù hợp, và Cas9 thực hiện phần còn lại.
Điều này cũng có thể áp dụng cho các gen bị lỗi - các phần hiện đang gây ra vấn đề có thể được loại bỏ bằng CRISPR-Cas9, và sau đó được thay thế bằng mã di truyền khỏe mạnh, về mặt lý thuyết sẽ giải quyết được vấn đề.
CRISPR-Cas9: Nó đã được sử dụng trên người chưa?
Có, ở Trung Quốc . Sử dụng phôi người lấy từ một phòng khám sinh sản, các nhà khoa học đã cố gắng sử dụng CRISPR-Cas9 để chỉnh sửa gen gây ra bệnh beta thalassemia trong mọi tế bào. Cần lưu ý rằng các phôi của người hiến tặng được sử dụng là không thể sống được và không thể dẫn đến một ca sinh sống.
Trong mọi trường hợp, nó đã thất bại, và thất bại khá nặng nề: 86 phôi được tiêm vào, và sau 48 giờ và khoảng 8 tế bào phát triển, 71 người sống sót và 54 trong số đó đã được kiểm tra di truyền. Chỉ 28 con đã được ghép nối thành công và rất ít chứa vật liệu di truyền mà các nhà nghiên cứu dự định.Trưởng nhóm nghiên cứu, nếu muốn làm được điều đó ở phôi bình thường, bạn cần phải đạt gần 100%. Jungiu Huang kểThiên nhiên . Đó là lý do tại sao chúng tôi dừng lại. Chúng tôi vẫn cho rằng nó còn quá non nớt.
Trên hết, rất có thể sẽ xảy ra nhiều thiệt hại không có giấy tờ hơn. Như là Thời báo New York giải thích :Các nhà nghiên cứu Trung Quốc chỉ ra rằng trong thử nghiệm của họ, việc chỉnh sửa gen gần như chắc chắn gây ra nhiều thiệt hại hơn họ đã ghi nhận; họ đã không kiểm tra toàn bộ bộ gen của các tế bào phôi.
Như bạn có thể tưởng tượng, nó đã gây ra một lượng lớn tranh cãi trong cộng đồng khoa học.
Vào tháng 11 năm 2016 , một nhóm các nhà khoa học Trung Quốc khác đã trở thành những người đầu tiên sử dụng CRISPR-Cas9 trên người trưởng thành, tiêm vào người bị ung thư phổi các tế bào miễn dịch của bệnh nhân đã được CRISPR sửa đổi để vô hiệu hóa protein PD-1, về mặt lý thuyết khiến cơ thể bệnh nhân chiến đấu chống lại ung thư. .
Sau đó, trong một học công bố ngày 3/8, các nhà khoa học đã ‘chỉnh sửa’ thành công phôi thai người, loại bỏ đoạn DNA bị lỗi có thể dẫn đến bệnh tim di truyền. Đó là một thành tựu mang tính bước ngoặt và cung cấp những con đường có khả năng ngăn ngừa khoảng 10.000 rối loạn di truyền đột biến đơn lẻ (tức là các bệnh do một gen bị lỗi duy nhất gây ra) ở người trong tương lai.
CRISPR-Cas9 và đạo đức
Mặc dù các nhà khoa học Trung Quốc đã sử dụng những phôi thai sẽ không phát triển thành sự sống, nhưng vẫn có những lo ngại về đạo đức thực sự về việc thử nghiệm trên phôi người - thực sự là chỉ một tháng trước khi nghiên cứu của Trung Quốc được công bố, một nhóm các nhà khoa học Mỹ kêu gọi thế giới không làm như vậy .
Một phần của điều này là do công nghệ chưa trưởng thành như thế nào - hãy nhớ rằng nó chỉ mới được sử dụng tích cực từ năm 2012 và sẽ thật đáng kinh ngạc nếu nó đã hoàn toàn trưởng thành vào thời điểm này. Các nhà khoa học cảnh báo rằng nó đã quá hiểu lầm và nguy hiểm khi sử dụng đối với con người vào thời điểm này, và nghiên cứu của Trung Quốc chắc chắn đã chứng minh cho mối lo ngại này. Ngay cả khi nó hoạt động hoàn hảo, vẫn có những lo ngại rằng những hậu quả không lường trước được có thể xảy ra qua nhiều thế hệ.
Nhưng, ngay cả khi nó an toàn và thành công 100%, vẫn có những lo ngại khác về đạo đức: trong khi không ai tranh luận rằng chúng ta nên kìm hãm tiềm năng xóa sổ các bệnh di truyền giết người như Huntington và xơ nang, CRISPR-Cas9 có khả năng mang lại cơ hội thay đổi bất cứ điều gì về một người. Miễn là trình tự di truyền được xác định, về lý thuyết, nó có thể được chỉnh sửa.
Việc loại bỏ các bệnh ảnh hưởng đến cuộc sống trước khi sinh là một việc - cha mẹ có thể thiết kế để con mình khỏe hơn, nhanh hơn hoặc đẹp hơn là một điều hoàn toàn khác. Ngay cả khi bạn chấp nhận rằng đây là điều mà mọi người nên được phép làm, thì rất có thể điều này sẽ bị thương mại hóa rất nhiều, đảm bảo chỉ những người giàu mới có thể có được tất cả những lợi ích cuộc sống bổ sung mà điều này sẽ có, ảnh hưởng lớn đến bất bình đẳng.
CRISPR-Cas9: Những gì đã được thực hiện cho đến nay?
Of course, these ethical questions are a million miles away when the only recorded embryonic human experiment caused such a high-profile set-back. Tuy nhiên, CRISPR-Cas9 hiện đang cho thấy kết quả cực kỳ hứa hẹn trong các thử nghiệm nhỏ hơn.
Những ví dụ bao gồm Phòng chống lây nhiễm HIV trong tế bào người , chữa bệnh chuột di truyền và một cặp khỉ được sinh ra với các đột biến có mục tiêu .
CRISPR cũng đang nổi lên như một phương tiện hiệu quả để lưu trữ dữ liệu bên trong DNA. Vào tháng 3 năm 2017, một cặp nhà nghiên cứu tại Trung tâm Bộ gen New York đã công bố một báo cáo trong Khoa học tạp chí, mô tả chi tiết các phương pháp lưu trữ tệp nén trong phân tử DNA. Với sự trợ giúp của một thuật toán để dịch các tệp thành mã nhị phân có thể được ánh xạ vào các cơ sở nucleotide của DNA, các nhà nghiên cứu đã có thể mã hóa tổng cộng sáu tệp: một bài báo học thuật năm 1948, một bảng Pioneer, một hệ điều hành, một virus, phim 1895Đến ga La Ciotat… Và một thẻ quà tặng Amazon trị giá 50 đô la.
Vài tháng sau, một nhóm các nhà khoa học tại Trường Y Harvard đã mã hóa một đoạn video vòng lặp vào DNA của tế bào vi khuẩn E.Coli còn sống . Mục đích là phát triển một hệ thống đểmáy ghi phân tử - DNA có khả năng ghi lại thông tin của chính nó từ môi trường xung quanh. Điều này có thể được sử dụng trong mọi thứ, từ giám sát ô nhiễm đất đến cách mạng hóa hiểu biết của chúng ta về hoạt động thần kinh.
Là một phần của chương trình Gien an toàn của DARPA, bảy nhóm bao gồmNhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Amit Choudhary tại Trường Y Harvard đang phát triển cách kiểm soát muỗi truyền bệnh sốt rét, nhóm thứ hai của Trường Y Harvard đang tìm cách sử dụng CRISPR để phát hiện và đảo ngược các đột biến do bức xạ gây ra. Một nhóm nghiên cứu của Đại học Bang North Carolina do Tiến sĩ John Godwin dẫn đầu nhắm mục tiêu vào hệ thống ổ gen ở chuột để quản lý các loài xâm lấn, trong khi Đại học California, Berkeley muốn sử dụng CRISPR để nhắm mục tiêu virus Zika và Ebola. Danh sách đầy đủ các dự án và thông tin chi tiết về nhóm có sẵn trên trang web của DARPA.
Gần đây hơn, nhà sinh vật học cấu trúc Osamu Nureki từ Đại học Tokyo đã chia sẻ đoạn phim đáng kinh ngạc về CRISPR chỉnh sửa DNA trong thời gian thực, tạo thành một phần trong bài báo gần đây của nhóm ông, được xuất bản trên tạp chí Nature Communications . Đoạn clip dưới đây cho thấy CRISPR đang tìm kiếm DNA trước khi thực hiện các chỉnh sửa. Bạn có thể thấy một sợi DNA bị ngắt kết nối.
Đoạn phim ban đầu được chiếu cho những người tham dự CRISPR 2017 hội nghị diễn ra vào tháng Sáu. Bài báo đã được đệ trình sau hội nghị này và được xuất bản vào ngày 10 tháng 11.
CRISPR-Cas9: Nó sẽ đến Vương quốc Anh chứ?
Đúng. Các nhà nghiên cứu tế bào gốc ở Anh xin phép để sửa đổi phôi thai người nhằm tìm hiểu sự phát triển ban đầu của con người và giảm khả năng sẩy thai. Vào tháng 2 năm 2016,Cơ quan thụ tinh và phôi thai người (HFEA) đã cấp phép.
CRISPR-Cas9: Tại sao CRISPR lại tệ?
Như đã đề cập trước đây, Cas9 chỉ có thể nhận ra các chuỗi gen dài khoảng 20 base, có nghĩa là các chuỗi dài hơn không thể được nhắm mục tiêu.Đáng nói hơn, đôi khi enzyme vẫn cắt không đúng chỗ. Việc tìm ra lý do tại sao đây sẽ là một bước đột phá đáng kể - việc sửa chữa nó sẽ còn lớn hơn.
Sau đó, tất nhiên, có một vấn đề là CRISPR không hoạt động tốt trong phôi người và các liên kết gần đây hơn của nó với bệnh ung thư.
CRISPR-Cas9: Ai sở hữu nó?
Đó không phải là một câu hỏi đơn giản để trả lời. Nó là đối tượng của một cuộc chiến bằng sáng chế đang diễn ra - đáng ngạc nhiên là CRISPR đã xuất hiện tự nhiên trong một số vi khuẩn nhất định.
Đánh giá công nghệgiải thích điều đó, mặc dù CRISPR-Cas9 lần đầu tiên được mô tả trongKhoa họcvào năm 2012 bởi Jennifer Doudna từ UC Berkeley, Feng Zhang từ Viện Broad đã giành được bằng sáng chế về kỹ thuật này bằng cách nộp sổ ghi chép trong phòng thí nghiệm để chứng minh rằng anh ấy đã phát minh ra nó trước.
Đầu tiên nộp bản quyền bằng sáng chế có nghĩa là quyền này nên được cấp cho Doudna, nhưng quyết định có thể được quyết định dựa trên việc phát minh ra các quy tắc trước tiên, điều này sẽ có lợi cho Zhang. Đến cuối cùng, vụ án đã được giải quyết vào tháng 2 năm 2017 , khi Hội đồng Kháng nghị và Thử nghiệm Bằng sáng chế Hoa Kỳ quyết định rằng UC Berkeley sẽ được cấp bằng sáng chế cho việc sử dụng CRISPR-Cas9 trong bất kỳ tế bào sống nào, trong khi Broad sẽ lấy nó trong bất kỳ tế bào nhân chuẩn nào - có nghĩa là tế bào ở thực vật và động vật.
Hình ảnh: Petra B Fritz , VeeDunn , Thư viện hình ảnh NIH , và Steve Jurvetson được sử dụng theo Creative Commons
