Khám phá hệ thống mới có thể chỉnh sửa hệ gene người

“Sự tồn tại của các protein giống như CRISPR trong tế bào động vật”
 

Hình: Fanzor - một loại protein có thể tạo nên làn sóng mới trong việc chỉnh sửa gen.

Một hệ thống chỉnh sửa gen tương tự như CRISPR-Cas9 đã được phát hiện lần đầu tiên ở sinh vật nhân chuẩn. Hệ thống này - một loại protein có tên Fanzor - giúp định hướng để nhắm mục tiêu và chỉnh sửa chính xác các phần của DNA;  thậm chí có thể như một công cụ để chỉnh sửa bộ gen người. 
Nhóm nghiên cứu do Giáo sư Feng Zhang dẫn đầu tại Viện Nghiên cứu Não bộ McGovern tại MIT và Viện Broad của MIT và Harvard, bắt đầu nghi ngờ rằng các protein Fanzor có thể hoạt động như các nuclease – enzyme phân cắt  axit nucleic.
Họ đang xem xét nguồn gốc của các protein như Cas9 – enzyme thuộc hệ thống CRISPR-Cas9.. Các trình tự CRISPR đi đến các vùng DNA cụ thể và Cas9 thực hiện việc cắt giảm. Hệ thống CRISPR-Cas bắt nguồn từ vi khuẩn, đóng vai trò chính trong khả năng miễn dịch chống lại vi rút.
Khi nghiên cứu Cas9 và các protein liên quan khác, nhóm của Zhang đã phát hiện ra tổ tiên của chúng, một loại protein mà họ đặt tên là protein OMEGA. Một trong số đó, TnpB, có sự tương đồng đáng chú ý với một loại protein được tìm thấy ở sinh vật nhân chuẩn: Fanzor.
“Do sự bảo tồn giữa TnpB và Fanzor, chúng tôi có lý do chính đáng để nghĩ rằng Fanzor rất có thể cũng là một nuclease OMEGA được dẫn đường bởi RNA guide. Vì vậy, sau khi chúng tôi hoàn thành nghiên cứu OMEGA về IscB [một loại protein OMEGA khác] và TnpB, chúng tôi tập trung vào nghiên cứu Fanzor,” Zhang nói với IFLScience.
Trong nghiên cứu mới nhất này, nhóm nghiên cứu đã phân lập Fanzors từ nấm, tảo, amip và nghêu Quahog phía bắc. Với sự hướng dẫn của đồng tác giả đầu Makoto Saito, chức năng của các protein đã được mô tả, cho thấy rằng chúng là các enzyme cắt DNA như đã nghi ngờ trước đó. Giống như Cas9 được dẫn đường bởi các đoạn CRISPR, Fanzors được dẫn đường bởi các phần RNA được gọi là ωRNA.
Đồng tác giả đầu Peiyu Xu đã thiết lập một loạt thí nghiệm khác để xem xét cấu trúc phân tử của phức hợp Fanzor-ωRNA, để chỉ ra chính xác cách các protein tương tác và tự gắn vào chuỗi DNA sẽ được cắt.
Làm thế nào để Fanzor so sánh với các hệ thống CRISPR-Cas?
“Các hệ thống Fanzor nhỏ gọn hơn các protein CRISPR và do đó có khả năng được chuyển đến các tế bào và mô dễ dàng hơn. Các enzyme Fanzor cũng được mã hóa trong bộ gen của sinh vật nhân chuẩn trong các yếu tố có thể thay thế,” Zhang giải thích với IFLScience. “Không giống như hệ thống CRISPR, là hệ thống miễn dịch thích nghi, chức năng của Fanzor vẫn chưa rõ ràng.”
Một điểm khác biệt quan trọng khác với Fanzor là không gây ra các tác động tới DNA ngoài mục tiêu.  Với một số hệ thống CRISPR và protein TnpB OMEGA, có nguy cơ xảy ra các tác động ngoài mục tiêu, trong đó enzyme không chỉ tách phần DNA mong muốn mà còn làm hỏng các phần lân cận của phân tử. Điều này dường như không xảy ra với protein Fanzor của nấm mà nhóm đã nghiên cứu chi tiết.
Trên hết, mặc dù Fanzor ban đầu có vẻ kém hiệu quả hơn so với các hệ thống CRISPR-Cas, nhưng nhóm đã có thể thiết kế protein để đạt được mức tăng hoạt động gấp 10 lần.
Phải mất nhiều năm và một lượng lớn nghiên cứu để các nhà khoa học bắt đầu khai thác tiềm năng của CRISPR-Cas.  Nghiên cứu này là một phát hiện thú vị, vẫn còn quá sớm để hiểu đầy đủ cơ chế tác động của nó.
Zhang nói với IFLScience: “Chúng tôi rất vui khi thấy quỹ đạo mới này mở ra như thế nào và chúng tôi đang tiếp tục làm việc để phát triển Fanzor thành một công nghệ mới có giá trị để chỉnh sửa bộ gen của con người. “Ngoài ra, thật thú vị khi thấy sự tồn tại của các protein giống như CRISPR trong tế bào động vật.”

“Trong tương lai, chúng tôi đang tiếp tục nghiên cứu sinh học của protein Fanzor và khám phá những cách mà chúng tôi có thể thiết kế chúng để sử dụng làm công nghệ sinh học phân tử”. 
Zhang nói thêm: “Bên cạnh tiềm năng do kích thước nhỏ của Fanzor mang lại, công trình này nhấn mạnh rằng khả năng có nhiều hệ thống điều khiển bằng RNA hơn trong tự nhiên, hứa hẹn cho việc chỉnh sửa gen trong tương lai”. “Đây là một ví dụ khác về sức mạnh của việc nghiên cứu đa dạng sinh học. Có thể có nhiều hệ thống thú vị và đầy tiềm năng hữu ích hơn đang chờ được khám phá và khai thác.”
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature.
Nguồn: IFLScience (link: https://www.iflscience.com/newfound-crispr-like-system-in-animals-could-be-used-to-manipulate-human-genomes-69599)