Το CRISPR έχει γίνει πιο ισχυρό, χάρη στον "διακόπτη"

Με όλες τις εκπληκτικές δυνατότητές τουεπεξεργασία γονιδίων, μηχανικά CRISPR μοιάζει με ηλεκτρικό εργαλείο με σπασμένο διακόπτη. Απλά σκεφτείτε: ολόκληρος ο μηχανισμός CRISPR δημιουργείται σε δοκιμαστικό σωλήνα και μετά την ολοκλήρωση είναι πάντα ενεργός, ενεργοποιημένος και λειτουργικός. Αφού εισαχθεί σε ζώα ή ανθρώπους, το CRISPR αρχίζει να περιπλανηθεί σε όλο το σώμα, αναζητώντας το γονίδιο στόχο, το οποίο πρέπει να επεξεργαστεί ή να καταστραφεί, μέχρι να χάσει τη δύναμή του και να απορροφηθεί από το σώμα.

Εξάλειψη του μοριακού ελέγχουΈνα ηλεκτρικό εργαλείο δεν είναι προφανώς η τέλεια λύση: μπορεί να το παρακάνει και να σπάσει τα μη στοχευόμενα γονίδια. Και αν κάτι πάει στραβά, δεν υπάρχει άμεσος τρόπος να απενεργοποιηθεί ο μηχανισμός πριν προκληθεί βλάβη.

Στις αρχές αυτού του μήνα μια ομάδα από την ΚαλιφόρνιαΤο Πανεπιστήμιο του Μπέρκλεϊ προσπάθησε να δαμάσει το θηρίο CRISPR. Χρησιμοποιώντας μια τεχνική κυκλικής μετάθεσης, η ομάδα αναδιοργάνωσε το CRISPR σε ένα προγραμματιζόμενο εργαλείο ProCas9 το οποίο κρυφά κρύβεται στα κύτταρα, μέχρι να ξυπνήσουν οι εξωτερικοί παράγοντες - για παράδειγμα, μια ιογενής λοίμωξη.

Αυτό το "πρόσθετο επίπεδο ασφάλειας" περιορίζει τις δεξιότητες επεξεργασίας CRISPR σε ένα υποσύνολο κυττάρων "για ακριβή κοπή", λέει ο συγγραφέας της μελέτης Δρ David Savage.

Επιπλέον, το ProCas9 μπορεί δυνητικάνα απαντήσετε σε λογικές εισόδους, όπως "και" ή "όχι", πράγμα που σημαίνει ότι θα ενεργοποιηθεί μόνο αν ακολουθήσετε ένα συγκεκριμένο σύνολο οδηγιών - για παράδειγμα, "αυτό το κύτταρο είναι καρκινικό" ή "αυτό το κύτταρο μολύνεται" θα οδηγήσει στην απάντηση " , το οποίο ενεργοποιεί το CRISPR και του δίνει εντολή να κόψει τα γονίδια που είναι απαραίτητα για την επιβίωση. Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο περίφημο περιοδικό Cell.

Πάρτε τον έλεγχο του CRISPR

Ας ανανεώσουμε λίγο: Το CRISPR, ως εργαλείο επεξεργασίας γονιδίων, είναι στην πραγματικότητα ένα μοριακό ντουέτο. Το πρώτο μέρος, που κατευθύνει το RNA, είναι μικροσκοπικά αιματηρά κυνηγόσκυλα που αναζητούν ένα γονίδιο στόχο.

Μόλις συλληφθεί το γονίδιο, το δεύτερο συστατικό - Cas9- ενεργοποιείται για κοπή. Σε αντίθεση με τα καθοδηγητικά RNA, τα οποία αποτελούνται από γενετικά γράμματα, το Cas9 είναι πρωτεΐνη. Ήταν με αυτό το στοιχείο που οι επιστήμονες από το Berkeley αποφάσισαν να παίξουν.

"Ο ευρύς σκοπός της δουλειάς μας είναι να δαμάσουμε και να χρησιμοποιήσουμε για ανθρώπινη χρήση και να αφαιρέσουμε περιττά πράγματα που δεν σχετίζονται με την επεξεργασία γονιδιώματος", λέει ο Savage.

Τι μπορεί να γίνει με πρωτεΐνη; Φανταστείτε μια πολύ μεγάλη αλυσίδα αριθμημένων μπάλες (αμινοξέα) που τσακίζονται σε μια πολύπλοκη τρισδιάστατη δομή. Κόψτε την αλυσίδα και μπορείτε να αναδιοργανώσετε τις χάντρες έτσι ώστε η θέση τους στο νήμα να είναι διαφορετική από την αρχική και να τις τοποθετήσετε σε ένα κόμπο ή δύο όταν επανασυνδέσετε το νήμα πρωτεϊνών.

Αυτό είναι, κατ 'ουσίαν, η ομάδα. Αυτό το τέχνασμα ονομάζεται «κυκλική μεταστροφή» και μετατρέπει την αρχική πρωτεΐνη έτσι ώστε να έχει μια νέα αρχή και τέλος - και αναπτύσσεται σε μια διαφορετική μορφή. Πρόκειται για μια τεράστια λειτουργία μοριακού επιπέδου που συνήθως καταστρέφει τη λειτουργία της πρωτεΐνης.

Οι συγγραφείς λένε ότι δεν ήταν σίγουροι ότι θα λειτουργούσε με κάτι τόσο περίπλοκο όσο το Cas9.

Παραδόξως, το Cas9 ήταν σχεδόν ένα τεστ. Η ομάδα προσπάθησε να το κόψει σε πολλαπλά σημεία πριν βρει κοψίματα που διατήρησαν τη λειτουργία της πρωτεΐνης, αλλά στο 10% των περιπτώσεων, το επανασυναρμολογημένο Cas9 λειτούργησε σχεδόν το ίδιο με το πρωτότυπο.

Υπάρχει ένα έξυπνο σημείο εδώ: κατά την επανασύνδεση των πρωτεϊνικών νημάτων, η ομάδα έπεσε στη μοριακή «πύλη» - ένα μικρό συνδετήρα - που εμπόδισε την ικανότητα κοπής του Cas9 αν ο ίδιος ο συνδετήρας δεν είχε σπάσει.

Τι έσπασε τις αλυσίδες; Ένα σύνολο ενζύμων που ονομάζονται πρωτεάσες.

Σύνδεσμος ευαίσθητος σε πρωτεάση

Φανταστείτε τις πρωτεάσες ως μικρό ψαλίδι γιασκίουροι που κολυμπούν στο σώμα. Η όλη οικογένειά τους: οι καλές μας βοηθούν να χωνέψουμε τις μπριζόλες και τα φασόλια. Αλλά υπάρχουν κακά. Τα κύτταρα του καρκίνου, για παράδειγμα, αντλούν τις δικές τους "κακές" πρωτεάσες, οι οποίες σκίζουν τους περιβάλλοντες ιστούς, προωθώντας την ανάπτυξή τους. Οι ιοί μπορούν επίσης να εκκρίνουν ιικές πρωτεάσες, οι οποίες είναι συχνά απαραίτητες για τη διείσδυσή τους σε πολλαπλά κύτταρα και ιστούς. Το Zika και ο δάγκειος πυρετός είναι μεταξύ εκείνων που χρησιμοποιούν τις πρωτεάσες ως όπλα τους και οι πρωτεάσες από τους ιούς που μολύνουν τα φυτά συμβάλλουν στη φθορά των πατατών και άλλων καλλιεργειών.

Αλλά οι πρωτεάσες δεν κόβονται κατά βούληση. Αντίθετα, κάθε ένα από αυτά προορίζεται μόνο για έναν μικρό αριθμό ακολουθιών αμινοξέων - "ταχυδρομικούς κώδικες", τους οποίους αναγνωρίζει και κόβει.

Αυτό σημαίνει ότι η ομάδα μπορεί να βάλειένας συγκεκριμένος κώδικας ZIP που αντιστοιχεί σε μια συγκεκριμένη πρωτεάση - για παράδειγμα, από καρκινικά κύτταρα - σε ανασυνδυασμένη πρωτεΐνη Cas9 ως συνδέτη. Έτσι, ο συνδετήρας θα αποκοπεί μόνο σε κύτταρα που έχουν αυτή την ειδική πρωτεάση και συνεπώς θα συμπεριληφθεί μόνο σε αυτά τα κύτταρα. Ανάλογα με τον οδηγό RNA, η ομάδα μπορεί να σχεδιάσει ένα ενεργοποιημένο CRISPR για να κόψει τα απαραίτητα για την επιβίωση γονίδια - και έτσι να σκοτώσει το καρκινικό κύτταρο.

Με αυτή την έννοια, οι νέες πρωτεΐνες Cas9, που ονομάζονται ProCas9 ("pro" λόγω της "πρωτεάσης"), μετατρέπονται σε μικροσκοπικά μηχανήματα κατασκοπείας που θα καταστούν θανάσιμα μετά την ενεργοποίηση.

Αλλιώτη Δολοφόνος

Για να δοκιμάσουν την ιδέα, οι επιστήμονες παρουσίασαν κύτταρα που έχουν μολυνθεί από το Zika με το νέο ProCas9, εξοπλισμένο με οδηγούς RNA, εκπαιδευμένο να βρει γονίδια που υποστηρίζουν τη ζωή των κυττάρων.

Σε μόλις μία εβδομάδα, το νέο σύστημα CRISPR κατέστρεψε τα μολυσμένα κύτταρα ως "αλτρουιστική άμυνα". Τα υγιή κύτταρα παρέμειναν ζωντανά και άθικτα.

Αυτό έδειξε ότι το σύστημα παρέμεινε ήρεμο σε χρόνο ειρήνης, περιορίζοντας έτσι τη γονιδιωματική βλάβη στον οικοδεσπότη, λένε οι συγγραφείς.

Σε μερικά πειράματα, το ProCas9 δούλεψε εξίσου καλά, θυσιάζοντας κύτταρα μολυσμένα με τον ιό του Δυτικού Νείλου.

"Αν και αυτή είναι μια πολύ πρώιμη επιβεβαίωση της έννοιας,καταδεικνύει την ιδέα ότι θα μπορούσε να είναι ένα συνθετικό ανοσοποιητικό σύστημα ", λέει ο συγγραφέας της μελέτης Benjamin Oaks. "Δημιουργήσαμε μια πρωτεΐνη που ανιχνεύει μια κρυφή απειλή που μπορεί να προγραμματιστεί για οτιδήποτε."

Το νέο σύστημα CRISPR είναι απίθανο να επηρεάσει τη δική μαςανοσοποιητικό σύστημα. Ένα άλλο πλεονέκτημα της αναδιάταξης της πρωτεΐνης είναι ότι οι νέοι άκροι της φέρουν φορτία καλύτερα, όπως άλλα ένζυμα τροποποίησης DNA ή δείκτες που ανάβουν στο σκοτάδι.

Όπως και αν Cas9 πήρε μια νέα υπερδύναμη, η οποίαμας επιτρέπει να παρακολουθούμε πού είναι η πρωτεΐνη στο κύτταρο ή να αλλάξουμε την έκφραση ορισμένων γονιδίων αντί να καταστρέψουμε άμεσα το γενετικό μας υλικό.

Η ομάδα από το Μπέρκλεϊ έχει ήδη προσφέρει μερικέςπεριπτώσεις χρήσης. Το ProCas9 θα είναι χρήσιμο για τη μοριακή εξέταση ή την ανακάλυψη φαρμάκων. Ή μπορεί να περιορίσει την κοπή του DNA σε ορισμένα κύτταρα "μετά την πλήρη παροχή του συγκροτήματος επεξεργασίας στον ιστό ή το όργανο στόχο", πράγμα που θα αυξήσει σημαντικά το προφίλ ασφάλειας του οργάνου, ειδικά σε κλινικό περιβάλλον.

Αλλά το πιο ενδιαφέρον πράγμα για όλα αυτά είναι ότι δεν το κάνουμεσυνδέονται με τον μηχανισμό CRISPR που μας έχει προικίσει η φύση. Αυτές οι πρωτεΐνες μπορούν να βελτιστοποιηθούν προσεκτικά και να τοποθετηθούν σε ικριώματα που δεν βρίσκονται στη φύση, αλλά έχουν τις απαραίτητες ιδιότητες για χρήση σε ανθρώπινα κύτταρα, έρευνα ή θεραπεία, λέει ο Savage.

Και ποιες χρήσεις βλέπετε για το νέο εργαλείο; Πες μας για αυτό στο chat μας. σε τηλεγράφημα.