O edycji genów słyszał chyba każdy, a od momentu pojawienia się techniki CRISPR/Cas9 w 2012 r. badania biomedyczne nabrały rozpędu, co doceniono Nagrodą Nobla za rok 2020 w dziedzinie chemii (Emmanuelle Charpentier i Jennifer A. Dounda). Ale “genetyczne nożyczki”, choć precyzyjne i skuteczne, nie są doskonałe. Zespół uczonych z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara (UC Santa Barbara) z powodzeniem ulepszył technikę CRISPR/Cas9 – nowa metoda, opisana w czasopiśmie Nature Biotechnology, do naprawy materiału genetycznego wykorzystuje homologię, a nie wirusy (jak w klasycznej postaci). Różnica jest naprawdę kolosalna.
Czytaj też: Odkryto system CRISPR/Cas sprzed 2,6 mld lat. To może być nowa era edycji genów
Dr Chris Richardson z UC Santa Barbara mówi:
Znaleźliśmy modyfikację chemiczną, która poprawia niewirusową edycję genów, a także odkryliśmy intrygujący nowy rodzaj naprawy DNA.
Technika CRISPR/Cas9 jeszcze wydajniejsza, z nieco innym podejściem
Metoda edycji genów CRISPR/Cas9 bazuje na technice obronnej stosowanej przez bakterie przeciwko atakującym je wirusom. W tym celu bakterie odcinają fragment materiału genetycznego wirusa i włączają go do swojego, aby łatwiej było go później rozpoznać. Gdy bakterie zostaną ponownie zainfekowane, kierują znane sobie sekwencje genetyczne do zniszczenia intruza.
Czytaj też: Wirusy znalezione w nieoczekiwanym miejscu. Jak tam trafiły?
Z wykorzystaniem enzymu Cas9 możliwe jest “wycinanie” konkretnych fragmentów DNA, np. zawierających niekorzystny wariant genetyczny. To jednocześnie okazją do zastąpienia “niechcianych” genów podobnymi (homologicznymi), ale ulepszonymi – wykorzystywane są tu naturalne mechanizmy naprawcze komórki.
Do dostarczenia szablonu naprawy genów do jądra komórki najczęściej wykorzystuje się wirusy. Chociaż mają one swoje minusy, jest to najlepsza opcja, jaką dysponujemy. Ale tak nie musi być zawsze. Istnieją tzw. szablony niewirusowe – potencjalnie tańsze i bardziej skalowalne, choć również niepozbawione toksyczności. Zespół dr Richardsona wykazał, że do edycji genów można wykorzystać tzw. wiązania krzyżowe (ICL), łącząc ze soba różne odcinki podwójnej helisy.
Oddzielenie od siebie dwóch nici DNA jest niezbędne dla procesów komórkowych, takich jak replikacja i transkrypcja. Wiązania krzyżowe (ICL) to toksyczne uszkodzenia DNA, które wiążą te nici razem, hamując separację, a tym samym utrudniając transkrypcję i replikację. Takie DNA jest nieaktywne, gdyż komórka traktuje je jako “wadliwe”. Mechanizm ten jest wykorzystywany choćby przez chemioterapeutyki, których zadaniem jest przerwanie wzrostu guza i zabicie komórek nowotworowych. Można to wykorzystać także w edycji genów.
Dr Chris Richardson dodaje:
Zasadniczo to, co zrobiliśmy, to wzięliśmy szablon DNA i uszkodziliśmy go w najpoważniejszy sposób, jaki mogę sobie wyobrazić. Komórka nie odrzuciła tego fragmentu, wręcz przeciwnie – chciała wbudować go do swojego genomu. Rezultatem jest wysoce wydajny i minimalnie podatny na błędy niewirusowy system edycji genów.
Użycie ICL poprawiło aktywność edycji genów nawet trzykrotnie w porównaniu z klasycznym podejściem CRISPR/Cas9 bazującym na wirusach. Co więcej, nawet przy wzroście edycji – a zatem szans na błędy – nie było wzrostu częstotliwości mutacji. Można zatem stwierdzić, że nowa technika jest trzy razy wydajniejsza.
Czytaj też: Te geny praktycznie nie są wirusom potrzebne, ale odgrywają kluczową funkcję w przyrodzie
Dr Richardson wyjaśnia:
To, co naszym zdaniem się dzieje, to fakt, że komórka wykrywa i próbuje naprawić uszkodzone DNA, do którego dodaliśmy to wiązanie krzyżowe. I robiąc to, opóźnia komórkę obok punktu kontrolnego, w którym normalnie zatrzymałaby ten proces rekombinacji. Przedłużając czas, w którym komórka musi dokonać rekombinacji, zwiększamy prawdopodobieństwo, że zmiany zostaną zakończone. Badanie nowego procesu może również doprowadzić do lepszego zrozumienia tego, jak komórki wykrywają odczynniki edycyjne i jak “decydują” o ich przyjęciu lub nie, powiedział.
Metoda ta znajdzie największe zastosowanie w aplikacjach edycji genów ex-vivo, czyli w sferze badań nad chorobami i prac przedklinicznych.