Khám phá hệ thống mới có thể chỉnh sửa hệ gene người

Một nhóm nghiên cứu do Feng Zhang tại Viện nghiên cứu MIT& Harvard và Viện nghiên cứu não bộ McGovern MIT dẫn dắt đã khám phá ra một hệ do RNA điều hướng có thể lập trình được trong sinh vật nhân thực – các sinh vật bao gồm nấm, thực vật và động vật.

Trong một nghiên cứu xuất bản trên Nature, nhóm nghiên cứu này đã miêu tả cách hệ thống dựa trên một protein được gọi là Fanzor 1. Họ đã chứng tỏ là các protein Fanzor có thể được tái lập trình để chỉnh sửa hệ gene của các tế bào người. Các hệ thống fanzor có tiềm năng được phân phối một cách dễ dàng tới các tế bào và mô hơn cả các hệ thống CRISPR/Cas, và còn có thể tái tinh chỉnh để cải thiện hiệu quả trúng đích của mình, điều khiến chúng trở thành một công nghệ mới đầy giá trị cho chỉnh sửa hệ gene người.

CRISPR/Cas đầu tiên được phát hiện trong các sinh vật nhân sơ (các vi khuẩn và sinh vật đơn bào thiếu nhân khác). Các nhà khoa học, bao gồm cả nhóm của Zhang từ lâu đã ngạc nhiên tự hỏi liệu các hệ tương tự đang tồn tại trong các sinh vật nhân thực có vậy không. Nghiên cứu mới đã chứng tỏ là các cơ chế cắt DNA do RNA dẫn hướng đang hiện diện trong mọi hình thức của sự sống.

“Các hệ dựa trên CRISPR đều sử dụng rộng rãi cơ chế đó bởi chúng có thể dễ dàng tái lập trình để hướng đến các vị trí khác nhau trong hệ gene”, theo nhận xét của Zhang, tác giả chính của nghiên cứu và là thành viên chính của Viện nghiên cứu MIT& Harvard và Viện nghiên cứu não bộ McGovern MIT, giáo sư khoa học thần kinh ghế James & Patricia Poitras của MIT, nghiên cứu viên ở Viện Y học Howard Hughes. “Hệ mới này là một cách khác để thực hiện những thay đổi chính xác trên các tế bào người, hoàn thiện các công cụ chỉnh sửa hệ gene mà chúng ta đã có trong tay”.

Kiếm tìm trong các miền sự sống

Một mục tiêu quan trọng của nhóm nghiên cứu của Zhang là phát triển y học di truyền bằng việc sử dụng các hệ thống có thể điều chỉnh các tế bào người với việc hướng đích các gene cụ thể và các quá trình xử lý. “Nhiều năm trước, chúng tôi đã bắt đầu hỏi ‘đó là những gì vượt quá khả năng của CRISPR, và liệu có các hệ RNA có thể tái lập trình trong tự nhiên’”, Zhang nói.

Hai năm trước, các thành viên phòng thí nghiệm của Zhang đã khám phá ra một lớp các hệ thống RNA có thể lập trình gọi là các OMEGA, vốn thường có liên hệ với các yếu tố có thể vận chuyển được, hay còn gọi là “các gene nhảy”, trong các hệ gene vi khuẩn và dường như đem đến hiệu quả trong các hệ CRISPR/Cas. Công trình đó cũng nhấn mạnh vào những tương đồng giữa các hệ OMEGA trong sinh vật nhân sơ và các protein Fanzor trong sinh vật nhân thực, qua đó đề xuất các enzyme Fanzor có thể được sử dụng cơ chế do RNA dẫn hướng để hướng đích và cắt DNA.

Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu tiếp tục thực hiện nghiên cứu về các hệ do RNA dẫn hướng bằng việc phân lập các Fanzor từ nấm, tảo và các loài trùng biến hình amip, thêm vào với ngao vỏ cứng (Northern Quahog). Đồng tác giả thứ nhất Makoto Saito trong nhóm của Zhang tìm hiểu các đặc điểm sinh hóa của các protein Fanzor, chứng tỏ chúng là các enzyme endonuclease – các enzyme cắt liên kết phosphodiester trong một chuỗi polynucleotide, cắt DNA sử dụng ở gần các RNA không mã hóa như các ωRNA để hướng đích các vị trí cụ thể trong hệ gene. Đây là lần đầu tiên cơ chế này được tìm thấy trong động vật nhân thực cũng như trong động vật.

Không giống như các protein CRISPR, các enzyme Fanzor đã mã hóa trong các hệ gene của sinh vật nhân thực bên trong các nguyên tố có thể vận chuyển được và phân tích phát sinh loài của nhóm nghiên cứu đề xuất là các gene Fanzor đã di chuyển từ các vi khuẩn tới sinh vật nhân thực thông qua cơ chế chuyển gen ngang (horizontal gene transfer).

“Các hệ OMEGA đó cổ xưa hơn nhiều so với CRISPR và chúng thuộc về số những protein đông đảo nhất hành tinh, vì vậy nó có ý nghĩa là chúng có thể nhảy qua nhảy lại giữa các sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực”, Saito nói.

Để khám phá tiềm năng của các Fanzor như một công cụ chỉnh sửa gene tiềm năng, các nhà nghiên cứu đã chứng minh nó có thể tạo ra các đoạn chèn và các xóa đoạn tại các vị trí trong hệ gene đã được định bên trong các tế bào người.

Họ tìm thấy hệ Fanzor ban đầu ít heieuj quả tại mảnh vụn DNA hơn các hệ CRISPR/Cas nhưng bằng kỹ thuật hệ thống, họ đưa một tổ hợp các đột biến vào protein này để gia tăng năng lực của nó gấp mười lần. Thêm vào đó, không giống như các hệ CRISPR và protein TnpB OMEGA, họ phát hiện ra là một protein Fanzor dẫn xuất từ nấm không thể hiện “hoạt động nhánh”, nơi một enzyme do RNA dẫn hướng cắt DNA đích cũng như làm suy giảm chức năng của DNA hay RNA gần đó. Các kết quả cho thấy là các Fanzor có thể có tiềm năng được phát triển thành các công cụ chỉnh sửa hệ gene hiệu quả.

Đồng tác giả thứ nhất Peiyu Xu thực hiện một nhiệm vụ phân tích cấu trúc phân tử của phức hợp Fanzor/ωRNA và đồ họa cách gắn vào DNA để cắt chúng. Fanzor có những điểm tương đồng về cấu trúc với bản sao của động vật nhân sơ protein CRISPR-Cas12 nhưng sự tương tác giữa ωRNA và các miền xúc tác của Fanzor được mở rộng hơn, qua đó đề xuất là ωRNA có thể đóng vai trò trong các phản ứng xúc tác. “Chúng tôi phân tích về các nhìn thấu suốt vào các cấu trúc đó có thể giúp chúng tôi chỉnh sửa và tối ưu Fanzor để cải thiện hiệu quả và độ chính xác như một công cụ chỉnh sửa hệ gene”, Xu nói.

Giống như các hệ dựa trên CRISPR, hệ Fanzor có thể được tái lập trình một cách dễ dàng để hướng đích đến các vị trí cụ thể trong hệ gene, và Zhang cho biết là có thể một ngày nào đó, nó sẽ được phát triển thành một công nghệ chỉnh sửa hệ gene mới dùng cho nghiên cứu và các ứng dụng điều trị. Sự phong phú của các endonuclease được RNA dẫn hướng như các Fanzor sẽ mở rộng thêm số lượng của các hệ OMEGA có trong khắp thế giới sự sống và nó cho thấy là còn có thể khám phá nhiều hơn nữa.

“Tự nhiên vô cùng kỳ diệu. Sự đa dạng sinh học của nó rất phong phú”, Zhang nói. “Có lẽ là có nhiều hệ thống RNA có thể được lập trình ở đó, và chúng tôi đang tiếp tục khám phá và sẽ hy vọng khám phá được nhiều hơn thế nữa”.

Thanh Hương tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2023-06-uncover-crispr-like-animals-human-genome.html

https://news.mit.edu/2023/fanzor-system-in-animals-can-edit-human-genome-0628#:~:text=the%20human%20genome-,Researchers%20uncover%20a%20new%20CRISPR%2Dlike%20system%20in%20animals%20that,precisely%20than%20CRISPR%2FCas%20systems.

———————————————–

1.https://www.nature.com/articles/s41586-023-06356-2

Tác giả