Tìm hiểu về hệ thống chỉnh sửa hệ gen CRISPR

Bài viết bởi TS. Đào Thị Mai Lan - Viện nghiên cứu Tế bào gốc và Công nghệ gen Vinmec

CRISPR được viết tắt của những chữ cái đầu của cụm từ Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. CRISPR được phát hiện lần đầu tiên ở trong vi khuẩn và vi khuẩn cổ năm 1987 (Ishino et al., 1987). Tại thời điểm đó, CRISPR được mô tả là một họ các trình tự DNA ngắn xuôi ngược lặp lại (đọc theo hướng xuôi hay ngược thì đều có trình tự DNA giống nhau) và các trình tự này được ngăn cách với nhau bởi các vùng đệm (spacer). Tuy nhiên các nhà khoa học vẫn chưa biết chức năng của vùng CRISPR này là gì. Năm 2012, lần đầu tiên công nghệ CRISPR được áp dụng làm kĩ thuật chỉnh sửa hệ gen nhờ công trình nghiên cứu của nhóm tác giả Jennifer Doudna và Emmanuelle Charpentier tại trường đại học California (Jinek et al., 2012). Trong nghiên cứu này nhóm tác giả đã đưa vào trong tế bào một phức hệ bao gồm enzyme Cas9 nuclease và RNA dẫn đường (guide RNA) tự thiết kế để cắt đoạn DNA tại những vị trí mong muốn.

Xem thêm >> Các ứng dụng công nghệ giải trình tự gen thế hệ mới hiệu năng cao (NGS)

Sau nghiên cứu này, hàng loạt các nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật CRISPR đã được tiến hành tạo nên sự bùng nổ về công nghệ CRISPR trong những năm sau đó. Hiện nay rất nhiều tiến bộ trong việc ứng dụng công nghệ CRISPR đã được tìm ra với mục đích cải thiện hệ thống để làm việc hiệu quả hơn, an toàn hơn khi ứng dụng cho việc chữa bệnh trên người.

CRISPR/Cas9 là hệ thống được mô tả lần đầu tiên và được dùng phổ biến. Hệ thống CRISPR/Cas9 bao gồm 2 thành phần: enzyme Cas9 nuclease và RNA dẫn đường. Nhờ đoạn trình tự bổ sung của RNA dẫn đường với trình tự đích mà phức hợp này có thể tìm thấy vị trí cần chỉnh sửa trên hệ gen. Để có thể hoạt động, hệ thống CRISPR còn yêu cầu một trình tự ngắn từ 2-5 nucleotides trên DNA đích được gọi là protospacer associated motif (PAM) ngay sau đoạn bổ sung của RNA dẫn đường (đối với CRISPR/Cas9 của vi khuẩn S.pyogenes thì trình tự này là 5’-NGG, trong đó N là bất kỳ nucleotide nào). Khi phức hợp Cas9 và guide RNA bám vào trình tự đích, enzyme Cas9 sẽ dùng 2 tiểu phần HNH và RuVC của mình để cắt đoạn DNA trên cả 2 mạch tại vị trí nucleotide thứ 3-4 phía trước PAM.

Theo cơ chế tự sửa chữa của tế bào, đoạn DNA sau khi bị cắt sẽ được hàn gắn lại theo 2 con đường: con đường ghép nối không tương đồng (non-homologous end joing NHEJ và con đường sửa chữa tái tổ hợp tương đồng (homology directed repair – HDR). Con đường sửa chữa NHEJ sẽ tạo ra các đột biến mất hoặc mất nucleotide, trong khi con đường sửa chữa HDR sử dụng khuôn mẫu có trình tự tương đồng ở khớp nối nên bảo toàn được trình tự DNA. Thông qua cơ chế cắt và nối DNA này các nhà khoa học có thể thêm, xoá, thay đổi trình tự DNA trong hệ gen. Công cụ CRISPR được ví như một chiếc “kéo sinh học” giúp các nhà khoa học có thể dung làm “phẫu thuật phân tử” nhờ khả năng cắt một cách chính xác tại vị trí mong muốn và từ đó giúp chỉnh sửa hệ gen trong tế.

Viên nghiên cứu Tế bào gốc và Công nghệ Gen Vinmec

Hiện nay công nghệ CRISPR đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực từ cây trồng, vật nuôi, nông nghiệp, y học... Trong lĩnh vực y học, các nhà khoa học đã ứng dụng công nghệ CRISPR để chữa các bệnh di truyền. Một số ví dụ như cuối năm 2019 công ty CRISPR Therapeutic và Vertex tại Mỹ đã tiến hành thử nghiệm liệu pháp gen đầu tiên trên bệnh nhân bị beta thalassemia. Ngoài ra công nghệ CRISPR đã được sử dụng để sửa chữa nhiều gen gây bệnh như gene DMD gây bệnh teo cơ Duchenne, bất hoạt gen CCR5 để kháng virus HIV... Với sự phát triển vượt bậc trong ứng dụng trong tương lai không xa công nghệ CRISPR sẽ tạo ra những bước đột phá trong việc chữa trị tận gốc các bệnh di truyền.

XEM THÊM

XEM THÊM:

Bài viết này được viết cho người đọc tại Sài Gòn, Hà Nội, Hồ Chí Minh, Phú Quốc, Nha Trang, Hạ Long, Hải Phòng, Đà Nẵng.