Naukowcy z Uniwersytetu Michigan opublikowali 18 stycznia badanie, w którym podkreślili nowe osiągnięcia w technologii edycji genomu CRISPR-Cas3, które mogą potencjalnie zwalczać choroby genetyczne, mutacje i wirusy. Badanie było wynikiem współpracy pomiędzy laboratorium Yan Zhang na Uniwersytecie Michigan i laboratorium Ailong Ke na Uniwersytecie Cornell. W artykule skupiono się na CRISPR-Cas3 oraz dwóch inhibitorach anty-CRISPR specyficznych dla tego układu. Badanie obejmuje również szczegółowe obrazy struktury białek, kwasów nukleinowych i innych biomolekuł wytwarzanych w procesie znanym jako mikroskopia krioelektronowa.

Po raz pierwszy znalezione w układach odpornościowych bakterii, systemy CRISPR wywodzą się z naturalnie występujących „nożyczek” zdolnych do wycinania, dodawania lub zmiany odcinków DNA. Składają się z dwóch części: kierującej nici RNA, która jest jednoniciową cząsteczką wykorzystywaną do przesyłania wiadomości i innych funkcji, oraz białka związanego z CRISPR – czyli „Cas”. CRISPR, czyli skupione, regularnie rozmieszczone krótkie powtórzenia palindromowe, to sekwencje DNA tworzące pasujące nici przewodnie RNA, zaprojektowane tak, aby działały jako „mapy drogowe” dla białek Cas. Nici przyłączają się do tych białek Cas i kierują je do docelowej sekwencji DNA w genomie lub całego zestawu instrukcji DNA znajdujących się w komórce. Gdy białko Cas, enzym nukleaza, zlokalizuje wybrane DNA, może rozszczepić materiał genetyczny.

Najbardziej znany system edycji genomu, CRISPR-Cas9, nadal uważany jest za nowe osiągnięcie w tej dziedzinie. Badacze Emmanuelle Charpentier i Jennifer A. Doudna zdobyli Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 2020 r. za pracę nad tą technologią, a amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków zatwierdziła w grudniu 2023 r. pierwszą terapię edycji genomu CRISPR-Cas9 do zastosowań klinicznych w leczeniu anemii sierpowatokrwinkowej .

System CRISPR-Cas3, będący przedmiotem artykułu UM, jest znacznie mniej zbadany niż Cas9. Mimo to Mason Myers, jeden z głównych autorów artykułu, student Rackham, stwierdził w wywiadzie dla The Michigan Daily, że Cas3 jest liczniejszy niż Cas9.

„Te systemy Cas9 stanowią mniejszość systemów CRISPR powszechnych w przyrodzie” – powiedział Myers. „Tak więc analizowany przez nas system typu pierwszego (Cas3) stanowi w rzeczywistości około 50–60% naturalnie występujących CRISPR”.

CRISPR-Cas3 działa również inaczej niż CRISPR-Cas9. Według Myersa zamiast tworzyć pojedyncze nacięcia, jak w przypadku systemu Cas9, CRISPR-Cas3 wykonuje delecje na dużą skalę, które „rozdrabniają” docelowe nici DNA.

„(CRISPR-Cas3) znajduje również bardzo specyficzną sekwencję białka lub DNA z jego strukturą białkową i kierowanym RNA” – powiedział Myers. „Następnie przetnie białko, a następnie zacznie je ciągnąć ręka za ręką. To jakby ktoś wspiął się nożyczkami po linie i jednocześnie przeciął to, co jest za nią.”

Ailong Ke, główny badacz laboratorium partnerskiego badania w Cornell, powiedział w wywiadzie dla The Daily, że zdolność systemu Cas3 do tworzenia długich delecji DNA ma ważne zastosowania kliniczne.

„(W przypadku Cas9) zwykle w rezultacie powstaje niewielka zmiana, wynosząca zaledwie jeden lub dwa nukleotydy” – powiedział Ke. „(Cas3) wygeneruje długie usunięcie. W zasadzie ma znacznie większy wpływ na rozbicie celu. Mamy nadzieję, że potencjalnie moglibyśmy wymazać długi odcinek DNA. Jeśli to sekwencja wirusa, możemy ją usunąć. Albo możemy skierować go na mutację specyficzną dla choroby, a następnie zabić komórki, powiedzmy komórkę nowotworową lub coś takiego. Możemy selektywnie eliminować tego rodzaju komórki, więc jest to obiecujące w warunkach terapeutycznych”.

Yan Zhang, adiunkt chemii biologicznej na UM, prowadzi laboratorium, w którym zidentyfikowano również białka zwane anty-CRISPR, struktury zdolne do zatrzymania procesu delecji w systemie Cas3, specyficzne dla systemu typu IC podkreślonego w badaniu.

Ke powiedział, że leki anty-CRISPR mają kluczowe znaczenie dla ostatecznego zatwierdzenia Cas3 do użytku klinicznego.

„Kiedy jest to lek, chcesz, aby był bardzo skuteczny, ale jednocześnie bardzo precyzyjny” – powiedział Ke. „Chcesz mieć pełną kontrolę nad skutecznością. Zasadniczo, idealnie, chciałbyś móc to dostarczyć, ale kiedy wykona to zadanie, chcesz go wyłączyć i zapobiec przepracowaniu i (spowodowaniu) efektu odbiegającego od celu. Zatem środki anty-CRISPR są narzędziami, które zasadniczo wyłączą CRISPR”.

Pojawienie się edycji genomu wywołało obawy etyczne w społecznościach społecznych i naukowych. Myers powiedział, że zastosowanie technologii anty-CRISPR sprawi, że proces będzie bezpieczniejszy i bardziej precyzyjny, zapobiegając edycji w niepożądanych obszarach ciała lub trwałym zmianom w genetyce reprodukcji.

„Istnieje ten duży termin, którego używa się nie tylko w społeczności CRISPR, ale w całych dyskusjach na temat zdrowia publicznego” – powiedział Myers. „To coś, co nazywa się edycją linii zarodkowej, co oznacza, że ​​wszyscy staramy się unikać powodowania jakichkolwiek zmian w genach, które mogłyby zostać przeniesione na następne pokolenie. Każdy rodzaj terapii genowej lub badań genetycznych koncentruje się na dostarczaniu środków terapeutycznych (czyjemu) własnemu ciału, a nie na przesyłaniu go do następnego pokolenia. Odkryli, że częścią tego jest to, że zapewniając zabezpieczenia anty-CRISPR… byli w stanie bardzo dokładnie wybrać, które tkanki mają być edytowane”.

Junior w LSA, Kemal Demirer, członek stowarzyszenia studentów biologii, stwierdził, że jego zdaniem wpływ CRISPR-Cas3 będzie w przyszłości nadal wzrastał.

„Jeśli spojrzeć na to wyłącznie z naukowego punktu widzenia, myślę, że przyszłość CRISPR jest niesamowita” – powiedział Demirer. „Ten system jest w stanie dokonywać delecji i edycji genomów w sposób, w jaki nigdy wcześniej nie byliśmy w stanie tego robić, z wydajnością, z jaką nigdy wcześniej nie mieliśmy do czynienia. Myślę więc, że w przyszłości znacznie przyspieszy to badania”.

Pomimo nowych osiągnięć Cas9 nadal dominuje w badaniach CRISPR. Demirer stwierdził, że jego zdaniem laboratorium Zhanga wniosło istotny wkład w ograniczone badania przeprowadzone nad Cas3, które umożliwiły innym naukowcom na uniwersytecie rozpoczęcie stosowania form technologii edycji genów z długimi delecjami.

„Myślę, że (ten) wkład jest… wielką nauką i poszerzy naszą wiedzę na temat potencjalnych zastosowań klinicznych CRISPR i wielu systemów Cas” – powiedział Demirer. „Wniesie także wkład w długoletnią spuściznę wielkich nauk przyrodniczych tu, na uniwersytecie”.

Z reporterką codzienną Marissą Corsi można się skontaktować pod adresem: macorsi@umich.edu.

Powiązane artykuły