Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

RNA là một chất điều hòa trung tâm và phổ biến của thông tin di truyền để làm cơ sở cho sự đa dạng của các loại và trạng thái của tế bào. Sự thiếu hụt các công cụ nghiên cứu và kiểm soát các loại tế bào khác nhau thông qua các RNA đang là một vấn đề cần quan tâm trong sinh học cũng như y học. Cảm biến RNA phân tử có thể cho phép chúng ta nghiên cứu và xử lý các loại và trạng thái tế bào cụ thể trong các trường hợp khác nhau, đặc biệt là ở bệnh nhân và các sinh vật không có mô hình cụ thể.
Nghiên cứu mới đây của nhóm tác giả đến từ Trung tâm Y Dược Đại học Duke và Đại học Stanford mô tả kỹ thuật RNA cảm biến trực tiếp có thể lập trình và liên kết các thành phần riêng lẻ thành một chỉnh thể với việc ứng dụng rộng rãi trong sinh học, công nghệ sinh học và y học về RNA. Kỹ thuật mới về công nghệ dịch mã protein phụ thuộc vào cảm biến RNA này bỏ qua quá trình phiên mã dựa trên DNA. Thay vào đó, những công nghệ này sử dụng các enzyme ADARs (adenosine deaminases acting on RNA - adenosine deaminases hoạt động dựa trên RNA) để giám sát và chỉnh sửa tế bào dựa trên RNA tiềm năng thông qua các hệ thống cơ quan và các loài.
Hai hệ thống CellREADR (truy cập tế bào thông qua cảm biến RNA bởi ADAR nội bào) và RADAR (cảm biến RNA bằng cách sử dụng adenosine deaminases hoạt động dựa trên RNA) đã được mô tả trong 2 bài báo: “Programmable RNA sensing for cell monitoring and manipulation” (“Cảm biến RNA có thể lập trình cho việc giám sát và thao tác trên tế bào”) đăng trên tạp chí Nature và “Modular, programmable RNA sensing using ADAR editing in living cells” (“Cảm biến RNA có thể lập trình và liên kết các phần thành riêng lẻ thành một chỉnh thể bằng cách sử dụng công cụ chỉnh sửa ADAR trên tế bào sống”) được đăng vào tập san tháng 10 của Nature Biotechnology.
Giáo sư Z. Josh Huang về lĩnh vực thần kinh học tại Đại học Y Dược Duke và là tác giả của bài báo mô tả hệ thống CellREADR đã nhận xét trên GEN Edge rằng: “Ở cấp độ cơ bản, công nghệ này sẽ có tác động rất rộng đến sự hiểu biết về sinh học nói chung”. “Đây cũng là một công cụ hữu ích thực sự cho việc cải tiến bệnh tật”.
Câu chuyện về 2 cảm biến
Trong khi hai câu chuyện này tập trung vào ADAR như là trung tâm cho những đổi mới này thì hai nhóm đã tiếp cận vấn đề cảm biến RNA từ các góc độ hoàn toàn khác nhau. K. Eerik Kaseniit, tác giả chính của bài báo viết về RADAR, đã suy nghĩ về cảm biến RNA trong suốt quá trình 10 năm từ khi anh vẫn còn là một sinh viên vào năm 2012.
Kaseniit đã phát biểu trên GEN Edge rằng “Tôi đã thử tất cả các thủ thuật mà bạn có thể nghĩ ra, như hình thành các cấu trúc thứ cấp kỳ lạ và phá vỡ các liên kết bazơ của RNA tại các cấu trúc này, nhưng vẫn không đạt được kết quả nào”.
Khi kết thúc cao học tại phòng thí nghiệm của Xiaojing J. Gao, người có kiến ​​thức nền tảng sinh học tổng hợp đến từ phòng thí nghiệm của Michael B. Elowitz, Kaseniit bắt đầu suy nghĩ sâu hơn về RNA và cách tạo ra các đoạn gen mà không cần đến DNA. Kaseniit nói rằng Gao đã suy nghĩ về vấn đề RNA trong một thời gian và ông ấy đã thử sử dụng phương pháp tương tác RNA để tạo ra các cổng logic dịch chuyển mạch hoặc bất cứ thứ gì liên quan đến RNA mạch đôi.
Nhưng Gao đã phát hiện ra một lỗi trong hệ thống, đó là có các protein liên kết được với sợi đôi RNA. Kaseniit đã phát biểu rằng “[Xiaojung] đã xem qua tài liệu về tất cả các protein tương tác với RNA và thấy rằng có một loại enzyme tên là ADAR liên kết với RNA sợi đôi và đó chính là điểm để nó được kích hoạt”. Gao đã biến cái gọi là lỗi này thành một tính năng có thể được sử dụng như một công cụ để xây dựng các mạch sinh học tổng hợp thật thú vị.
Josh Huang, tác giả từ nhóm Duke đã nhìn nhận vấn đề này từ một góc độ khác. Huang là một nhà thần kinh học đang cố gắng tìm hiểu các mạch não và sự đa dạng của các loại tế bào thần kinh. Cùng với nhiều nhà nghiên cứu khác, Huang đã sử dụng kỹ thuật di truyền các dòng tế bào mầm – đây là một phương pháp truyền thống được thực hiện bằng cách tận dụng các yếu tố điều hòa DNA trong nhân - để tạo ra các công cụ di truyền sử dụng cho việc theo dõi, thao tác và chỉnh sửa các loại tế bào bằng cách cảm biến RNA trong tế bào sống.
Nhưng cách tiếp cận nhắm mục tiêu vào gen này – đây là phương pháp truyền thống trong suốt hai thập kỷ qua - cực kỳ tốn nhiều công sức, thời gian dài và không dễ mở rộng. Cách tiếp cận nhắm mục tiêu vào gen này cồng kềnh, chậm chạp, khó mở rộng quy mô, khái quát hóa và đặt ra các vấn đề đạo đức, đặc biệt là ở tế bào người và động vật linh trưởng. Tất cả các phương pháp tiếp cận dựa trên DNA để bắt chước và tận dụng các mẫu biểu hiện RNA đặc biệt của tế bào vốn là gián tiếp.
Huang đã từng phát biểu rằng “Chúng tôi đang cố gắng xem liệu có một chiến lược căn bản khác theo những cách cụ thể, linh hoạt, đơn giản và có thể khái quát được thông qua các hệ thống cơ quan và loài hay không”, “Đó là cách chúng tôi tiến hành sử dụng cảm biến RNA và sau đó sử dụng cảm biến đó để biểu hiện trọng tải.”
Những câu chuyện này đến với nhau thông qua một liên kết chung giữa hai nhóm từ hơn 20 năm trước khi Huang còn học sau đại học tại Đại học Brandeis. Hướng dẫn Tiến sĩ của Gao là Liqun Luo, người cũng từng quen biết và trở thành bạn của Josh Huang tại Brandeis. Luo đã biết cả hai nhóm đều đang nghiên cứu các cảm biến RNA và khuyến khích họ kết nối với nhau.
Bản thiết kế cảm biến RNA
Các cảm biến RNA với mô-đun mới và có thể lập trình này tận dụng việc chỉnh sửa RNA sợi đôi bởi các ADAR. Các enzym này liên kết với RNA sợi đôi theo cách trình tự bất hoạt với phổ rộng và chỉnh sửa các nucleotide adenosine thành các nucleotide inosine giống guanine. Sự chuyển đổi này có thể được tận dụng để chỉnh sửa sự dịch mã protein của codon kết thúc UAG để tạo thành các cảm biến đầu ra protein, đáp ứng RNA.
Mặc dù các RNA sử dụng enzyme ADAR giữa hai nhóm khác nhau đôi chút, nhưng cả hai đều có hai vùng quan trọng. Đầu tiên, vùng 'cảm biến' là vài trăm nucleotide bổ sung cho một RNA tế bào cụ thể để tạo thành một đoạn đôi có trình tự cụ thể bổ sung cho nhau. Vùng cảm biến này chứa một hoặc nhiều codon kết thúc có thể được chỉnh sửa bởi ADAR hoạt động như một công tắc dịch mã. Thứ hai, vùng "đầu ra" mã hóa một protein hiệu ứng ở phía sau vùng cảm biến. Trong khung với codon kết thúc là một trình tự mã hóa peptit tự phân cắt được gọi là T2A, theo đó trong khung là vùng RNA hiệu ứng có thể mã hóa tất cả các loại protein tác động.
Vì vậy, trong các tế bào biểu hiện RNA mục tiêu, các RNA sử dụng enzyme ADAR này tạo thành dạng RNA sợi đôi với RNA mục tiêu, RNA này tìm kiếm các ADAR để lắp ráp thành một phức hợp tại codon kết thúc có thể chỉnh sửa. Một khi codon kết thúc được chuyển đổi bởi phức hợp ADAR, quá trình dịch mã của RNA hiệu sẽ được bắt đầu. Protein dung hợp được tạo thành bao gồm một peptit đầu N, T2A và một vùng hiệu ứng đầu C, sau đó chúng tự phân cắt bởi T2A và giải phóng protein tác động có chức năng.
 
Protein đầu ra được biểu hiện bởi RADAR (gọi là EGFP) mỗi khi RNA đầu vào đã liên kết với trình tự cảm biến, kích hoạt việc chỉnh sửa codon kết thúc (UAG) ở phía trước bởi ADAR thành dư lượng tryptophan (UIG). [Kaseniit et. al., Nature Biotechnology]
Một thế giới cảm biến RNA
Huang quan tâm đến việc sử dụng cảm biến RNA để hiểu hơn về sự đa dạng của các loại tế bào trong não, điều mà ông đã nghiên cứu trong nhiều thập kỷ bằng cách sử dụng các kỹ thuật di truyền. Vì cảm biến RNA có thể được phân phối trên virus hoặc các vectơ di truyền khác và đạt được sự biểu hiện đặc trưng cho loại tế bào, nó loại bỏ nhu cầu xác định trình tự khởi động, vốn vẫn là một trở ngại lớn trong việc giới thiệu các sinh vật mới cho nghiên cứu dựa trên kỹ thuật sinh học hoặc di truyền học.
Huang lưu ý rằng kỹ thuật giải trình tự tế bào đơn đã cho phép các nhà nghiên cứu xác định tất cả các loại tế bào. Nhưng kỹ thuật nghiên cứu từng loại tế bào với phương pháp dễ dàng, có thể mở rộng để hiểu được dòng thông tin cơ bản thì đã không tồn tại.
Cả Huang và Kaseniit đều cho rằng những cảm biến RNA này sẽ sử dụng được cho các loại tế bào giống như CRISPR đang thực hiện được cho di truyền học. Trong bài báo về CellREADR, nhóm của Huang đã sử dụng công nghệ phân phối virus để cho phép tiếp cận được đến loại tế bào cụ thể trong não chuột nhà và chuột cống cũng như trong các mô não người được tiến hành bên ngoài cơ thể sống. Ngoài ra, CellREADR cho phép ghi nhận và kiểm soát các loại nơ-ron cụ thể trong hành vi của chuột.
Phát biểu trên GEN Edge, Kaseniit đồng ý rằng “Nếu bạn muốn đọc hoặc viết gen, hãy sử dụng CRISPR. Nếu bạn muốn đọc hoặc ghi các tế bào, bạn sử dụng công nghệ CellREADR hoặc RADAR, tức là bạn sử dụng cảm biến RNA. Chúng tôi đang đi từ cấp độ gen đến toàn bộ tế bào để hiểu các loại tế bào. "
Kaseniit rất hào hứng với các cảm biến RNA vì chúng có thể là nền tảng của bộ công cụ giúp hiểu biết các loại tế bào thông qua việc sử dụng các cổng logic. Anh ấy đưa ra ví dụ về việc sử dụng cổng ‘AND ’— khi hai sự kiện là yêu cầu cần thiết để kích hoạt phản hồi. Ví dụ, điều này có thể được sử dụng để các tế bào biểu hiện hai điểm đánh dấu đưa ra một đầu ra protein cụ thể, cho dù là cytokine hay bất kỳ phân tử tín hiệu tế bào nào khác. Kaseniit hy vọng sẽ mở rộng chương trình cổng logic với nhiều toán tử hơn, chẳng hạn như cổng ‘NOT’.
Bằng cách tích hợp nhiều đầu vào, cảm biến RNA có thể cho phép có độ đặc hiệu cao và ảnh hưởng của các can thiệp tiếp theo sau đó đến mục tiêu không liên quan là thấp. Đặc biệt, việc này thích hợp để tăng tính đặc hiệu cho việc tiêm phòng và các liệu pháp gen dựa trên RNA, sức mạnh của phương pháp này đã được chứng minh trong đại dịch gần đây. Vì cảm biến RNA có thể được phân phối trên virus hoặc các vectơ di truyền khác và đạt được biểu hiện đặc trưng cho loại tế bào, nên nó loại bỏ nhu cầu xác định trình tự khởi động, mà điều này vốn vẫn là một rào cản đáng kể trong việc đưa các sinh vật mới vào nghiên cứu dựa trên kỹ thuật sinh học hoặc di truyền học.
Theo bước chân của CRISPR
Giống với bất kỳ công cụ phân tử mới nào, công nghệ mới này trải qua nhiều phiên bản cải tiến và tối ưu hóa. Cả Huang và Kaseniit đều cho rằng quỹ đạo của các cảm biến RNA sẽ trông rất giống với quá trình chỉnh sửa gen bằng CRISPR.
Kaseniit cho biết: “Nếu chúng ta nhìn vào câu chuyện CRISPR, mọi người sẽ dự đoán được tốt hơn rằng [các RNA dẫn đường] nào tốt hơn. “Trong trường hợp của chúng tôi, chúng tôi có RNA cảm biến, vì vậy chúng tôi đang suy nghĩ về việc tìm kiếm các trình tự tốt nhất để dùng làm mục tiêu, từ đó cải thiện tin sinh học.” Cũng giống như hầu hết các công cụ phân tử khác, cảm biến RNA bao gồm tính đặc hiệu, hiệu quả, hiệu lực và khả năng mở rộng.
Và cũng giống như CRISPR, không chỉ Huang và Kaseniit nhìn thấy tiềm năng của những công nghệ này trong việc phá vỡ và mở ra chân trời mới cho sinh học cơ bản của các loại tế bào — họ còn thấy một công cụ trị liệu cực kỳ mạnh mẽ. Kaseniit đang cân nhắc giá trị của cảm biến RNA như một phương pháp trị liệu chỉ thực hiện ở một loại tế bào cụ thể. Kaseniit đã phát biểu rằng: “Ví dụ, bạn có thể tạo ra các cảm biến RNA cho một đột biến điểm ở bệnh ung thư do đó bạn có thể cung cấp một bộ RNA chỉ phát ra ung thư và tiêu diệt nó,” Kaseniit nói.
Huang đồng ý. Ông nói: “Trong bối cảnh bệnh tật, bạn có thể thay đổi sinh lý của tế bào một cách đặc hiệu, xóa bỏ các tế bào có hại, cho dù tế bào đó là tế bào ung thư hay bị nhiễm trùng, hoặc lập trình lại các tế bào trong những rối loạn phát triển nhất định.”
Các liệu pháp thông minh từ cảm biến RNA
Vì tất cả các thành phần của cảm biến RNA có thể được phân phối qua mRNA, một loạt các công cụ sinh học tổng hợp RNA và công nghệ nano hiện có có thể được kết hợp với cảm biến RNA. Đặc biệt, nó thích hợp để tăng tính đặc hiệu của việc tiêm phòng và các liệu pháp gen dựa trên RNA, sức mạnh của phương pháp này gần đây đã được chứng minh trong đại dịch.
Và có nhiều tình huống mà các công cụ này có thể được kết hợp để theo dõi các tế bào một cách có điều kiện. Ví dụ, cảm biến RNA có thể theo dõi các tế bào khi chúng bị nhiễm vi rút, chuyển từ trạng thái bình thường sang tiền ung thư, đến ung thư, rồi đến di căn hoặc trở nên già yếu.
Ngoài việc được theo dõi, cảm biến RNA kết hợp với các công cụ khác có thể dẫn đến các liệu pháp thông minh có thể tự động phát hiện những sự thay đổi trạng thái này và ngừng lại hoặc thậm chí là đảo ngược quá trình thúc đẩy chúng. Hoặc, bằng cách tích hợp nhiều đầu vào, cảm biến RNA có thể cho phép có độ đặc hiệu cao và ảnh hưởng của các can thiệp tiếp theo sau đó đến mục tiêu không liên quan là thấp. Ngoài việc đáp ứng các mức phiên mã, cảm biến RNA có thể phân biệt các thay đổi trình tự của các đặc điểm nhận dạng phiên mã liên quan đến bệnh, chẳng hạn như đột biến điểm và dung hợp.
Mặc dù các bài báo liên tục sau này đều là bằng chứng lý thuyết cơ bản, nhưng chưa có khả năng nói rằng cảm biến RNA sẽ có tiềm năng tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu hướng tới việc làm sáng tỏ các nguyên tắc của luồng thông tin sinh học từ kiểu gen đến kiểu hình trên các loại tế bào. Hơn nữa, cảm biến RNA có thể tạo ra một thế hệ mới của thuốc RNA dành riêng cho tế bào có thể lập trình được.

Nguồn: https://www.genengnews.com/gen-edge/programmable-rna-sensors-enable-cell-editing-and-therapeutic-intervention/