Công cụ “biên tập gene” CRISPR mới có thể chỉnh sửa sai hỏng trên RNA và DNA.

Công cụ “biên tập gene” mới có thể chỉnh sửa các lỗi sai trên gene mà những sai sót này chiếm một nửa các lỗi sai gây nên các bệnh di truyền.

Các nhà nghiên cứu đã biến đổi các “gene biên tập” CRISPR/Cas9 làm cho CRISPR/Cas9 có khả năng chuyển adenine thành guanine, nghiên cứu được báo cáo vào ngày 25 tháng 10 trên tạp chí Nature bởi nhà Sinh Hóa học David Liu và cộng sự. Trong một nghiên cứu khác cũng được công bố vào ngày 25 tháng 10 trên tạp chí Science, các nhà nghiên cứu của nhóm Feng Zhang, nhà nghiên cứu dẫn đầu trên mảng CRISPR, đã thiết kế lại một công cụ biên tập gene có tên là CRISPR/Cas13 để chỉnh sửa cùng lỗi sai trong RNA thay vì trong DNA.

Cùng với các phiên bản của CRISPR/Cas9, các “công cụ biên tập” mới giúp các nhà khoa học có thêm công cụ để chỉnh sửa các gene bệnh.

CRISPR/Cas9 là phân tử dùng để cắt DNA. Các nhà khoa học có thể hướng dẫn những phân tử này đến đúng vị trí trên vật chất di truyền của vi sinh vật mà họ muốn cắt bằng đoạn RNA bắt cặp bổ sung với trình tự DNA tại vị trí mục tiêu. Công cụ CRISP/Cas9 đã được ứng dụng để tạo đột biến hoặc sửa sai trên tế bào người và động vật, kể cả phôi người (ScienceNews, October, 14  2017).

Sự đa dạng của việc cải tiến cho phép CRISPR/Cas9 có thể thay đổi chương trình di truyền mà không cần cắt DNA (ScienceNews August, 24 2016). Phiên bản gần đây nhất của các “công cụ biên tập nucleotide” nhằm mục đích chỉnh sửa những lỗi sai liên quan đến một nửa các lỗi sai gây nên các bệnh di truyền, đã được sử dụng để thay đổi gene ở thực vật, cá, chuột và cả ở phôi người.

Các “công cụ biên tập gene” không cắt này an toàn hơn phiên bản cắt DNA truyền thống, theo Gene Yeo, nhà sinh học RNA tại trường Đại học California, San Diego. Ông phát biểu: “Chúng ta biết có những hạn chế trong việc cắt DNA”. Các lỗi sai thường tăng khi hệ thống tế bào cố gắng sửa các DNA sai hỏng. Và mặc dù không chính xác, CRISPR thường cắt DNA tại vị trí tương tự vị trí mục tiêu, tăng khả năng xuất hiện các đột biến mới ở nơi khác. Yeo phát biểu: “Việc “biên tập” sai vị trí trên DNA có thể gây hậu quả xấu”. Hai bài báo trên đưa ra các cách giải quyết khác nhau cho vấn đề này.

Các “công cụ biên tập” mới cho phép các nhà nghiên cứu viết lại cả bốn loại nucleotide tạo nên DNA và RNA. Bốn loại nucleotide trong đó Adenine (A) sẽ bắt cặp bổ sung với Thymine (T) (hay Uracil (U) ở RNA) và Guanine (G) sẽ bắt cặp với cytosine (C). Đột biến thay cặp C-G thành cặp A-T xuất hiện từ 100 - 500 lần mỗi ngày trong tế bào người. Hầu hết các đột biến thường lành tính nhưng thỉnh thoảng chúng có thể làm thay đổi cấu trúc và chức năng của các protein tương ứng, hoặc gây trở ngại hoạt động của các gene, dẫn đến bệnh. Khoảng một nửa trong số 32.000 đột biến kết hợp với các bệnh di truyền ở người là do sự thay đổi C-G thành A-T, phát biểu của Liu, một điều tra viên của Viện Y học Howard Hughes tại Đại học Harvard.

Trong RNA, một số enzyme tự nhiên có thể đảo ngược quá trình này. Tương tự, các enzyme có bản chất hóa học chuyển adenine thành inosine (I), loại nuclotide mà tế bào hiểu tương đương với G. Sự biên tập RNA diễn ra thường xuyên ở bạch tuộc và các loài nhuyễn thể khác và thỉnh thoảng ở người.

Zhang, Viện MIT và Harvard và các đồng nghiệp đã tạo ra loại enzyme “biên tập RNA” có tên gọi là ADAR2 bằng công cụ chỉnh sửa gene theo chương trình. Nhóm bắt đầu với CRISPR/Cas13, công cụ thường cắt RNA.Việc làm cùn các lưỡi dao làm cho công cụ tốt hơn việc cắt lát. Zhang và cộng sự sau đó đã gắn phần chuyển đổi A thành I của ADAR2 lên CRISPR/Cas13.  Được cho là SỬA SAI, công cụ này đã kết hợp từ 13% đến 27% RNA của hai gene trong tế bào người được nuôi trên đĩa. Các nhà nghiên cứu không phát hiện bất cứ thay đổi không mong muốn nào.
Sự biên tập RNA là tốt hơn đối với các bản sửa lỗi tạm thời, như việc dừng các protein thúc đẩy phản ứng viêm. Liu nói “Tuy nhiên để sửa nhiều đột biến, điều đó đòi hỏi việc chỉnh sửa DNA vĩnh viễn”.

Năm 2016, nhóm của Liu đã tạo ra “công cụ biên tập nucleotide”giúp chuyển C thành T. Các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc đã báo cáo trên tạp chí Protein & Cell vào ngày 23 tháng 9 rằng họ sử dụng “công cụ biên tập nucleotide” cũ trên phôi người để sửa chữa các đột biến mà nó gây nên bệnh rối loạn máu beta-thalassemia. Tuy nhiên, công cụ biên tập này không thể tạo ra sự thay đổi từ A thành G.

Không giống như RNA, không có enzyme tự nhiên nào có khả năng chuyển A thành I trên DNA. Cho nên Nicole Gaudelli thuộc phòng thí nghiệm của Liu đã dùng E.coli để làm điều đó. Sau đó, các nhà nghiên cứu cố định phân tử chuyển đổi DNA của E.coli, TadA- gắn vào phiên bản “chết” của Cas9, đã bị vô hiệu hóa để không thể cắt cả 2 mạch DNA. Kết quả là một công cụ biên tập nucleotide, gọi là ABE, đã chuyển cặp A-T thành cặp G-C đạt hiệu quả 50% trong tế bào người được thử nghiệm.

Liu nói, công cụ biên tập này làm việc gần giống với cây bút chì hơn là cây kéo. Trong thí nghiệm, nhóm của Liu đã sửa chữa các đột biến ở tế bào người từ bệnh nhân mắc bệnh rối loạn lưu trữ sắt trong máu gọi là hereditary hemochromatosis. Nhóm cũng đã tái tạo các đột biến có lợi cho phép tế bào máu tiếp tục tạo ra các hemoglobin thai nhi. Những đột biến này được biết như là bảo vệ chống lại các tế bào hồng cầu hình liềm.

Một nhóm khác cũng báo cáo trên tờ Protein & Cell vào tháng 10 rằng các công cụ biên tập mới xuất hiện an toàn hơn so với công cụ cắt-dán CRISPR/Cas9 truyền thống. Kết quả của Liu cũng ủng hộ điều đó. Nhóm của Liu đã tìm ra rằng việc cắt-dán CRISPR/Cas9 đã thay đổi tại 9 trong số 12 vùng "không phải mục tiêu”, chiếm 14% lần. Những trình biên tập mới mà thay A thành G thì được thay đổi 4 trong số 12 khu vực "không phải mục tiêu", chỉ chiếm 1,3% lần.

Liu nói, điều đó không chỉ ra rằng công cụ cắt- dán là không hiệu quả. “Thỉnh thoảng, nếu bạn muốn cắt một thứ gì, bạn không thể dùng một cây bút chì, bạn cần một cái kéo”.