CRISPRCas9 Bước đột phá của kỹ thuật thao tác trên DNA bộ gen

CRISPR/Cas9 Bước đột phá kỹ thuật thao tác DNA gen Nguyễn Gia Khuê1 *, Nguyễn Thế Kha2 Nghiên cứu sinh Đại học Arkansas, Fayetteville, Hoa Kỳ Nghiên cứu sinh Đại học Khoa học Kỹ thuật Pohang (POSTECH), Hàn Quốc * Độc giả có thắc mắc báo xin liên hệ: kgnguyen@email.uark.edu Biên tập viên: Đàm Xuân Thái, nghiên cứu sinh Đại học Michigan Giới thiệu Việc thao tác biến đổi DNA gen từ lâu niềm khao khát người Giấc mơ gần với thực hết dự án giải mã gen người hoàn thành năm 2003 Thông tin từ gen người nhiều sinh vật khác giúp nhà khoa học hiểu rõ cấu trúc, xếp, trình tự nucleotit gen riêng biệt Các kỹ thuật thao tác gen có ý nghĩa tầm quan trọng to lớn việc giúp người nghiên cứu chức gen hệ gen, sửa chữa sai hỏng đột biến bệnh di truyền, biến đổi đặc điểm di truyền theo mục đích riêng người Tuy nhiên, làm để biến đổi, sữa chửa sai hỏng gen cụ thể thách thức lớn nhà khoa học Hệ thống CRISPR/Cas Trong suốt thập kỷ qua, kỹ thuật thao tác DNA gen dựa hoạt động enzyme endonuclease Zinc Finger Nucleases (ZFNs) Transcription Activator Like Effector Nuclease (TALEN) sử dụng rộng rãi (1) Tuy nhiên, quy trình phương pháp phức tạp việc thiết kế đưa vào sử dụng thực tế Do tính ứng dụng phương pháp chưa cao, đặc biệt ứng dụng lâm sàng Gần đây, nhiều nghiên cứu sử dụng thành công kỹ thuật biến đổi DNA gen dựa hệ thống CRISPR/Cas (2, 3) Hệ thống dựa chế “miễn dịch” vi khuẩn chống lại xâm nhiễm phân tử DNA ngoại lai từ virus DNA plasmid (1) Khác với hệ thống “miễn dịch” dựa enzyme cắt giới hạn, hệ thống dựa phân tử RNA để nhận diện phá hủy DNA ngoại lai Để bảo vệ vi khuẩn khỏi DNA ngoại lai, vi khuẩn gắn chèn đoạn ngắn DNA ngoại lai vào DNA gen vùng trình tự lặp lại CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat) Vùng trình tự phiên mã xử lý thành đoạn RNA ngắn (được gọi crRNA_CRISPR-derived RNA) crRNA liên kết với endonuclease Cas để nhận diện DNA mục tiêu (thông qua liên kết bổ sung trình tự crRNA DNA mục tiêu) cắt phân tử DNA mục tiêu (thông qua hoạt động endonuclease Cas) (Hình 1) Hình Quá trình hoạt động chế CRISPR/Cas vi khuẩn chống lại xâm nhập DNA ngoại lai Các nhà khoa học dựa sở CRISPR/Cas để thiết kế hệ thống biến đổi DNA gen tế bào động vật có vú (bao gồm tế bào người) Hệ thống bao gồm hai phần enzyme endonuclease Cas phân tử RNA dẫn đường (gRNA) (4) Enzyme Cas có vai trò phân cắt DNA mục tiêu, phân tử RNA dẫn đường có vai trò nhận diện DNA mục tiêu chứa trình tự bổ sung với phân tử gRNA Ngoài ra, gRNA có diện trình tự PAM (Protospacer-Adjacent Motif) Trình tự PAM có vai trò quan trọng trình nhận diện gắn chuyên biệt enzyme Cas vào trình tự mục tiêu Đối với enzyme Cas 9, trình tự PAM bao gồm nucleotit – NGG, N nucleotit Bằng việc thiết kế trình tự gRNA khác (khoảng 20 nucleotit), nhà khoa học tác động đến gen Với việc thiết kế đơn giản (chỉ thay đổi trình tự gRNA) hiệu cao, sử dụng nhiều loại tế bào khác nhiều gen lúc, CRISPR/Cas thực hệ thống tiềm để biến đổi DNA gen (Hình 2) Hình Cơ chế hoạt động CRISPR/Cas trường hợp gây biến đổi trình tự gen Trình tự CRISPR lần tìm vào năm 1987 nghiên cứu Yoshizumi Ishino cộng trường Đại học Osaka, Nhật Bản (1) Điều thúc đẩy nhà khoa học tập trung nghiên cứu chức đặc biệt chúng hệ miễn dịch vi khuẩn năm gần Vào năm 2012, hai nhóm nghiên cứu độc lập Tiến sĩ Emmanuelle Charpentier trường đại học Umea Tiến sĩ Jennifer Doudna trường đại học California, Berkeley khám phá chế hoạt động enzyme Cas CRISPR (1) Tiến sĩ Craig Mello, người trao giải thưởng Nobel Sinh lý học Y học năm 2006 công trình nghiên cứu RNAi (RNA interference), có lời bình luận tương lai hứa hẹn phương pháp sau: “CRISPR/Cas có ý nghĩa vô to lớn, khả vô mạnh mẽ, bời thay đổi gen theo điều muốn” (5) Mello nhấn mạnh phương pháp sử dụng rộng rãi từ ứng dụng cho nông nghiệp đến ứng dụng liệu pháp gen điều trị bệnh lý người Phương pháp thật thành công nghiên cứu khoa học bản, đột phá to lớn có tác động mạnh mẽ di truyền học phân tử (5) Kết luận CRISPR/Cas ngày chứng tỏ tiềm ứng dụng mạnh mẽ Các nhà khoa học tiến hành việc nghiên cứu để sử dụng hệ thống để sửa chữa sai hỏng DNA gen bệnh lý di truyền (1) Một hướng ứng dụng khác nghiên cứu tế bào gốc nhằm biệt hóa tế bào gốc thành nhiều loại tế bào khác nhờ điều chỉnh di truyền DNA gen (1) Ngoài ra, CRISPR/Cas sử dụng việc tạo loại động vật thực vật biến đổi gen với hiệu cao Thậm chí gần đây, nhóm nghiên cứu Giáo sư Yoshio Koyanagi sử dụng hệ thống CRISPR/Cas để phá huỷ gen HIV nhằm dùng liệu pháp tiềm bệnh AIDS (6) Nhiều kết khả quan ban đầu việc sử dụng hệ thống công bố tạp chí uy tín giới Mặc dù phát triển gần đây, hệ thống CRISPR/Cas nhanh chóng sử dụng rộng rãi việc biến đổi DNA gen Về tác giả: Nguyễn Gia Khuê nghiên cứu sinh Đại học Arkansas, Fayetteville, Hoa Kỳ Nguyễn Thế Kha Nghiên cứu sinh Đại học Khoa học Kỹ thuật Pohang (POSTECH), Hàn Quốc Tài liệu tham khảo Doudna JA & Charpentier E (2014) Genome editing The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9 Science 346(6213):1258096 Platt RJ, et al (2014) CRISPR-Cas9 knockin mice for genome editing and cancer modeling Cell159(2):440-455 Xue W, et al (2014) CRISPR-mediated direct mutation of cancer genes in the mouse liver Nature514(7522):380-384 Ran FA, et al (2013) Genome engineering using the CRISPR-Cas9 system Nature protocols8(11):2281-2308 Palca J (2014) A CRISPR Way To Fix Faulty Genes (National Public Radio) Ebina H, Misawa N, Kanemura Y, & Koyanagi Y (2013) Harnessing the CRISPR/Cas9 system to disrupt latent HIV-1 provirus Scientific reports 3:2510 -