Một hóa học mới cho CRISPR
CRISPR-Cas9 đã từng được ví như một dạng kéo di truyền, nhờ năng lực cắt bất cứ phần DNA mong muốn nào với độ chính xác cao.
Nhưng hóa ra là các hệ CRISPR đã có nhiều chiến lược khác trong bộ công cụ của mình. Một cơ chế bắt nguồn từ khám phá vi khuẩn, nơi nó được vận hành như một hệ miễn dịch đáp ứng trong nhiều thiên niên kỷ, CRISPR đã được phát triển một cách tự nhiên bằng các vi sinh vật đơn bào nhất định để bảo vệ chính mình khỏi sự tấn công của virus (hay còn gọi là các thể thực khuẩn) và những mảnh di truyền ngoại lai khác. Giờ thì các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm nghiên cứu vi khuẩn ở Rockefeller do Luciano Marraffini dẫn dắt, và tại Phòng thí nghiệm Sinh học cấu trúc tại MSKCC do Dinshaw Patel dẫn dắt, đã khám phá ra cách một hệ CRISPR chiến đấu với những kẻ xâm lấn với chỉ một kéo di truyền nhưng đóng vai trò như một dạng máy phun khói phân tử.
Trong bài báo xuất bản trên tạp chí Cell, các nhà khoa học đã tìm thấy hệ này, CRISPR-Cas10, đã dâng một cơn lũ các phân tử độc hại trước các vi khuẩn lây nhiễm virus, và do đó ngăn chúng không lan truyền trong phần còn lại của quần thể vi khuẩn.
“Đó hoàn toàn là một dạng mới của hóa học CRISPR,” đồng tác giả Christian Baca, một thành viên tại phòng thí nghiệm của Marraffini nói. “Có thêm bằng chứng cho thấy các hệ CRISPR có một dãy các chiến lược miễn dịch nhờ sự bố trí của chúng”.
Đóng sập tế bào
Có sáu dạng hệ CRISPR (“các lặp đi lặp lại đoạn ngắn xen kẽ đều đặn theo cụm); CRISPR-Cas9 là dạng hai với enzyme Cas9 có chức năng như kéo DNA. Với nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu nhìn vào hệ dạng ba CRISPR-Cas10.
Với cả hai hệ, các RNA dẫn đường nhân diện vật liệu di truyền có vấn đề, và các enzyme đó bắt đầu gắp. Tuy nhiên phức hợp CRISPR-Cas10 đã tạo ra một loạt các phân tử thông tin nhỏ thứ hai gọi là cyclic-oligoadenylates (cOAs), giúp dập tắt hoạt động của tế bào, do đó giúp ngắn ngừa virus khỏi lan tràn. Dòng tấn công thứ hai này giống như việc khử trùng một phòng và sau đó nhanh chóng sập cửa để giữ không cho chúng xâm nhập vào phần còn lại của ngôi nhà.
Phản hồi thứ hai này là một vấn đề của thời gian, Baca nói. “Chỉ mình Cas10 có thể ‘dọn’ sạch sẽ một thể thực khuẩn hoặc hợp bào khỏi một tế bào miễn là bản sao mục tiêu được RNA hướng dẫn nhận dạng được tạo ra sớm trong quá trình nhiễm virus. Nhưng nếu đoạn mã có vấn đề chỉ được tạo ra ở giai đoạn sau của quá trình nhiễm thì cần có các phân tử cOA này để phòng vệ”, anh nói. “Theo cách này, các hệ thống CRISPR loại ba hoạt động tương tự như các cách miễn dịch bẩm sinh ở động vật có vú, chẳng hạn như cGAS-STING, tạo ra các nucleotide vòng để kích hoạt phản ứng của vật chủ”, Marraffini nói thêm.
Trong khi người ta đã biết nhiều về điều đó, động lực học phân tử đằng sau cách một protein CRISPR dạng ba mới, adenosine deaminase 1 liên kết CRISPR (Cad1) đã đạt được việc dập tắt hoạt động của tế bào vẫn chưa được biết đến.
Một luồng khí độc
Để tìm ra được điều này, các nhà nghiên cứu đã thực hiện phân tích phân tử và cấu trúc chi tiết của Cad1, sử dụng kính hiển vi cryo-EM và những cách tiếp cận tiên tiến để tiết lộ các cấu trúc và động lực học thông thường có thể giải thích hệ này dừng hoạt động của tế bào như thế nào.
Trong hệ CRISPR-Cas10 này, Cad1 cảnh báo sự hiện diện của một virus bằng cách liên kết cOA với một phần của protein được gọi là miền CARF. Điều đó lần lượt kích thích Cad1 chuyển đổi ATP (tiền tệ năng lượng của tế bào) thành ITP (một nucleotide trung gian thường có trong tế bào với số lượng nhỏ), sau đó tràn vào tế bào. ITP trở nên độc hại đối với tế bào ở liều cao, và kết quả là hoạt động của tế bào dừng lại, đưa tế bào vào trạng thái ngủ đông.
“Tế bào bị nhiễm sẽ hy sinh khi virus bị cô lập bên trong nó, nhưng quần thể vi khuẩn lớn hơn được bảo vệ”, đồng tác giả thứ nhất Puja Majumder, một nhà nghiên cứu postdoct tại Phòng thí nghiệm của Patel cho biết. Cho đến nay người ta vẫn còn chưa rõ vì sao nó lại có tác động này. Một lý thuyết cho rằng ITP dư thừa sẽ cạnh tranh với các vị trí liên kết thường do ATP hoặc GTP chiếm giữ trong các protein quan trọng đối với chức năng tế bào bình thường; một lý thuyết khác cho rằng nồng độ ITP cao sẽ cản trở quá trình sao chép DNA của thể thực khuẩn.
“Nhưng chúng tôi vẫn chưa thực sự rõ tại sao lại thế,” Majumder nói.
Một ứng dụng tiềm năng từ khám phá của họ là một công cụ chuẩn đoán lâ nhiễm, Baca lưu ý. “Sự hiện diện của ITP có thể chỉ dấu một phiên mã của mầm bệnh đang hiện diện trong một mẫu xét nghiệm.”
Vũ Nhàn dịch từ Rockefeller University
