Uvod v urejanje genoma CRISPR

Kaj je CRISPR in kako se uporablja za urejanje DNK

CRISPR/Cas je kompleks za urejanje genov, ki se uporablja v genski terapiji in kot diagnostično orodje. PASIEKA / Getty Images

Predstavljajte si, da lahko ozdravite katero koli genetsko bolezen, preprečite bakterije ododporen na antibiotike, spremenijo komarje tako, da jih ne more prenašati malarije , preprečijo raka ali uspešno presajajo živalske organe ljudem brez zavrnitve. Molekularni stroji za doseganje teh ciljev niso del znanstvenofantastičnega romana, ki bi bil postavljen v daljno prihodnost. To so dosegljivi cilji, ki jih omogoča družina zaporedja DNK imenovani CRISPR.

Kaj je CRISPR?

CRISPR (izgovarja se 'crisper') je akronim za Clustered Regularly Interspaced Short Repeats, skupino zaporedij DNK, ki jih najdemo v bakterijah in delujejo kot obrambni sistem pred virusi, ki bi lahko okužili bakterijo. CRISPR so genetska koda, ki jo razbijejo 'distančniki' zaporedij virusov, ki so napadli bakterijo. Če bakterije znova naletijo na virus, deluje CRISPR kot nekakšna spominska banka, ki olajša obrambo celice.

Odkritje CRISPR

CRISPR so ponavljajoča se zaporedja DNK. Andrew Brookes / Getty Images

Raziskovalci na Japonskem, Nizozemskem in v Španiji so v osemdesetih in devetdesetih letih 20. stoletja neodvisno odkrili ponavljajoče se skupine DNK. Akronim CRISPR sta predlagala Francisco Mojica in Ruud Jansen leta 2001, da bi zmanjšala zmedo, ki jo povzroča uporaba različnih akronimov s strani različnih raziskovalnih skupin v znanstveni literaturi. Mojica je domneval, da so CRISPR oblika bakterij pridobljena imunost . Leta 2007 je ekipa pod vodstvom Philippa Horvatha to eksperimentalno preverila. Ni minilo dolgo, preden so znanstveniki našli način za manipulacijo in uporabo CRISPR v laboratoriju. Leta 2013 je laboratorij Zhang postal prvi, ki je objavil metodo inženiringa CRISPR za uporabo pri urejanju mišjega in človeškega genoma.

Kako deluje CRISPR

Kompleks za urejanje genov CRISPR-CAS9 iz Streptococcus pyogenes: beljakovina nukleaza Cas9 uporablja vodilno zaporedje RNA (roza) za rezanje DNK na komplementarnem mestu (zeleno). MOLEKUUL/ZNANSTVENA FOTOKNJIŽNICA / Getty Images

V bistvu naravno prisoten CRISPR omogoča celico iskanje in uničenje. Pri bakterijah CRISPR deluje tako, da prepisuje zaporedja distančnikov, ki identificirajo ciljno DNK virusa. Eden od encimov, ki jih proizvaja celica (npr. Cas9), se nato veže na ciljno DNK in jo prereže, izklopi ciljni gen in onesposobi virus.

V laboratoriju Cas9 ali drug encim reže DNK, medtem ko mu CRISPR pove, kje naj odreže. Namesto uporabe virusnih podpisov raziskovalci prilagodijo distančnike CRISPR za iskanje zanimivih genov. Znanstveniki so spremenili Cas9 in druge proteine, kot je Cpf1, tako da lahko izrežejo ali aktivirajo gen. Izklop in vklop gena znanstvenikom olajša preučevanje delovanja gena. Rezanje zaporedja DNK olajša njegovo zamenjavo z drugim zaporedjem.

Zakaj uporabljati CRISPR?

CRISPR ni prvo orodje za urejanje genov v orodju molekularnih biologov. Druge tehnike za urejanje genov vključujejo nukleaze cinkovega prsta (ZFN), aktivatorju transkripcije podobne efektorske nukleaze (TALEN) in meganukleaze, izdelane iz mobilnih genetskih elementov. CRISPR je vsestranska tehnika, ker je stroškovno učinkovita, omogoča velik izbor tarč in lahko cilja na lokacije, ki so nedostopne nekaterim drugim tehnikam. Toda glavni razlog, da je to velik posel, je, da je neverjetno preprost za oblikovanje in uporabo. Vse, kar je potrebno, je ciljno mesto z 20 nukleotidi, ki ga je mogoče narediti s konstruiranjem vodnika . Mehanizem in tehnike so tako enostavni za razumevanje in uporabo, da postajajo standard v dodiplomskih učnih načrtih biologije.

Uporaba CRISPR

CRISPR se lahko uporablja za razvoj novih zdravil za gensko terapijo. DAVID MACK / Getty Images

Raziskovalci uporabljajo CRISPR za izdelavo celičnih in živalskih modelov za identifikacijo genov, ki povzročajo bolezni, razvoj genskih terapij in načrtovanje organizmov, da imajo zaželene lastnosti.

Trenutni raziskovalni projekti vključujejo:

• Uporaba CRISPR na preprečevanje in zdravljenje HIV , rak, srpastocelična bolezen, Alzheimerjeva bolezen, mišična distrofija in boreliozo. Teoretično je mogoče z gensko terapijo zdraviti vsako bolezen z genetsko komponento.
• Razvijanje novih zdravil za zdravljenje slepote in bolezni srca. CRISPR/Cas9 je bil uporabljen za odstranitev mutacije, ki povzroča pigmentozo retinitisa.
• Podaljšanje roka uporabnosti pokvarljivih živil, povečanje odpornosti pridelkov na škodljivce in bolezni ter povečanje hranilne vrednosti in pridelka. Na primer, ekipa Univerze Rutgers je to tehniko uporabila za narediti grozdje odporno na peronosporo .
• Presaditev prašičjih organov (ksenotransplanacija) v ljudi brez zavrnitve
• Prinašanje nazaj volnati mamuti in morda dinozavri in druge izumrle vrste
• Izdelava odpornosti proti komarjem do Plasmodium falciparum parazit, ki povzroča malarijo

Očitno so CRISPR in druge tehnike urejanja genoma sporne. Januarja 2017 je ameriška FDA predlagala smernice za uporabo teh tehnologij. Tudi druge vlade pripravljajo predpise za uravnoteženje koristi in tveganj.

Izbrana literatura in dodatno branje

• Barrangou R, Fremaux C, Deveau H, Richards M, Boyaval P, Parrot S, Romero DA, Horvath P (marec 2007). 'CRISPR zagotavlja pridobljeno odpornost proti virusom pri prokariontih'. Znanost . 315 (5819): 1709–12.
• Horvath P, Barrangou R (januar 2010). 'CRISPR/Cas, imunski sistem bakterij in arhej'. Znanost . 327 (5962): 167–70.
• Zhang F, Wen Y, Guo X (2014). „CRISPR/Cas9 za urejanje genoma: napredek, posledice in izzivi“. Človeška molekularna genetika . 23 (R1): R40–6.