כלי חדש לעריכת גנים מתחרה ב-CRISPR, ויכול לבצע מיליוני עריכות בבת אחת

עם עלייתו המטאורית של CRISPR כפלא לעריכת גנים, קל לשכוח את מקורותיה הנמוכים: הוא התגלה לראשונה כמשונה של מערכת החיסון החיידקית.

נראה שלחיידקים יש עוד מה להציע. החודש, צוות בראשות הביולוג הסינתטי המפורסם Dr. כנסיית ג'ורג ' באוניברסיטת הרווארד חטף עוד חתיכת מוזר של ביולוגיית חיידקים. התוצאה הוא כלי רב עוצמה שיכול - בתיאוריה - לערוך בו זמנית מיליוני רצפי DNA, עם "ברקוד" כדי לעקוב אחר השינויים. הכל מבלי לשבור קווצת DNA עדינה אחת.

לעת עתה, הכלים הביולוגיים הללו, המכונים "Retron Library Recombineering (RLR)", נבדקו רק בתאי חיידקים. אבל כמו CRISPRהמסע אל טיפול גנטי מראה, אפילו התגליות המוזרות ביותר של יצורים נמוכים עשויות להזניק את הטיפול הגנטי הפרוע ביותר שלנו או חלומות ביולוגיה סינתטיים למציאות.

"עבודה זו מסייעת בהקמת מפת דרכים לשימוש ב- RLR במערכות גנטיות אחרות, אשר פותחת אפשרויות מרגשות רבות למחקר גנטי עתידי," אמר כנסייה.

רגע, מדוע CRISPR אינו מספיק?

רטרונים הם מוזרים. נתחיל עם CRISPR במקום זאת.

אולי כבר מכיר את האופן שבו זה עובד. ישנם שני מרכיבים: סוג של RNA וחלבון. מדריך ה- "כלב הדם" RNA מרתק את חלבון ה- Cas "מספריים" לגן מסוים. בגרסה הקלאסית קאס קוצץ את הגן כדי לכבות אותו. ההתקדמות האחרונה מאפשרת לקאס להחליף אות גנטית ספציפית, או לגזוז מספר גנים בבת אחת.

עבור גרסת החיתוך והחלפה, מכיוון שהגן מרפא את עצמו, הוא יחפש תבנית לעיתים קרובות. CRISPR יכול לשאת גן תבנית שהתא יכול להסתמך עליו. בדרך זו שולל את התא לעריכת העתק גנטי: החלפת משפט גנטי פגום במשפט דקדוקי ביולוגי.

הבעיה עם CRISPR היא קיצוץ ה- DNA. אם אי פעם חתכת משפט בטלפון שלך, הבנת שחתכת את החלקים הלא נכונים, הדבקת אותו בחזרה עם הודעה אחרת שעכשיו לא הגיונית, ולחץ על שלח - טוב, זה די דומה למה שיכול לקרות עם CRISPR. הסכנה לפגיעה בגנום שלנו עולה כשאנחנו צריכים לערוך מספר גנים. זו הופכת לבעיה אדירה בביולוגיה הסינתטית, המשתמשת במניפולציה גנטית כדי להעניק תאים בעלי יכולות חדשות, או אפילו להנדס אורגניזמים חדשים לחלוטין.

תאים הם יצורים עקשניים שפותחו מעידני האבולוציה, ולכן לעתים רחוקות די בשינוי גן בודד בכדי לקבל למשל חיידקים להזרמת דלקים ביולוגיים או תרופות, מה שמצריך עריכת גנים מרובה. רוב התאים מתחלקים במהירות, כך שחיוני שכל התעסקות גנטית תיצמד לדורות. CRISPR נאבק לעתים קרובות עם שניהם. צוות הכנסייה חושב שיש להם פיתרון.

הכירו את רטרונס

הכלי החדש נקרא RLR, וה-R הראשון מייצג רטרונים. אלה הם יצורים נפוצים אך מסתוריים לחלוטין ש"הביולוגיה הטבעית שלהם... אינה ידועה במידה רבה", כתב הצוות, למרות שבדומה ל-CRISPR, הם עשויים להיות מעורבים במערכת החיסון של החיידק.

התגלו לראשונה בשנת 1984, רטרונים הם סרטים מרחפים של DNA בתאי חיידקים מסוימים שניתן להמיר לסוג ספציפי של DNA - שרשרת יחידה של DNA המכונה ssDNAs (כן, זה מוזר). אבל אלו חדשות נפלאות לעריכת גנים, מכיוון שה-DNA של התאים שלנו הופך לשרשראות בודדות הניתנות להשפעה כשהם מתחלקים. תזמון מושלם עבור מתג רטרוון-ופיתיון.

בדרך כלל, ה-DNA שלנו קיים בסלילים כפולים עטופים היטב ב-23 צרורות, הנקראים כרומוזומים. כל צרור כרומוזומים מגיע בשני עותקים, וכאשר תא מתחלק, העותקים נפרדים כדי לשכפל את עצמם. במהלך הזמן הזה, שני העותקים מחליפים לפעמים גנים בתהליך הנקרא רקומבינציה. זה כאשר רטרונים יכולים להתגנב פנימה, ולהחדיר במקום את צאצא ה-ssDNA שלהם לתוך התאים המתחלקים. אם הם נושאים טריקים חדשים - נניח, מאפשרים לתא חיידקים להפוך לעמיד בפני תרופות - ומצליחים להחדיר את עצמם, אז צאצאיו של התא יירשו את התכונה הזו.

בגלל המכונות הטבעיות של התא, רטרונים יכולים לחדור לגנום מבלי לחתוך אותו. והם יכולים לעשות את זה במיליוני תאים מתחלקים בו זמנית.

"חשבנו ש- retrons צריכים לתת לנו את היכולת לייצר ssDNA בתוך התאים שאנחנו רוצים לערוך במקום לנסות להכריח אותם לתא מבחוץ, ומבלי לפגוע ב- DNA המקורי, ששניהם היו תכונות משכנעות מאוד", אמר המחקר. הסופר ד"ר דניאל גודמן.

עשיית ה- RTR

בדומה ל-CRISPR, ל-RTR יש מרכיבים מרובים: קטע הגן המכיל מוטציה (הפיתיון), ושני חלבונים, RT ו-SSAP (תעתיק הפוך וחלבוני חישול חד-גדילי) שהופכים את הרטרון ל-ssDNA ונותנים לו להחדיר את עצמו. לתוך תא מתחלק.

עדיין איתי?

כמו משחקי הכס, יש הרבה שחקנים. אז כדי להבהיר יותר: רטרונים נושאים את הקוד הגנטי שאנו רוצים להכניס; RT הופך אותו לצורה תואמת יותר הנקראת ssDNA; ו- SSAP תוקע אותו ל- DNA כשהוא מתחלק. בעיקרון, סוס טרויאני פולש לתא ושופך מרגלים שמכניסים את עצמם לתא - משנים את ה- DNA שלו - בעזרת קוסמים אנזימטיים.

שני החלבונים חדשים במסיבה. בעבר מדענים ניסו להשתמש ברטרונים לעריכת גנים, אך היעילות הייתה נמוכה ביותר - בסביבות 0.1 אחוז מכלל תאי החיידקים שנדבקו. שני המצטרפים החדשים הרגיעו את "מערכת האזעקה" הטבעית של החיידקים שמתקנת שינויים ב-DNA - כך שהם מתעלמים מסיביות ה-DNA החדשים - ומאפשרים לעריכות להיכנס ולהעביר לדור הבא. טריק נוסף היה לסרס שני גנים המקודדים לחלבונים שבדרך כלל הורסים ssDNA.

במבחן אחד, הצוות מצא כי למעלה מ -90% מתאי החיידק הודו בקלות ברצף הרטרונים החדש ב- DNA שלהם. לאחר מכן הם הלכו בגדול. בהשוואה ל- CRISPR, לרטרונים יש רגל למעלה מכיוון שהרצף שלהם יכול לשמש כקוד. משמעות הדבר היא שניתן לבצע מספר ניסויים בעריכת גנים בבת אחת, ולהבין אילו תאים נערכו עם איזה רטרון על ידי רצף הברקוד.

במבחן הוכחה למושג, הצוות פוצץ כמה תאי חיידק עם רטרונים שהכילו רצפים לעמידות לאנטיביוטיקה. על ידי רצף אותיות ה- DNA של הרטרון לבד מתוך מאגר חיידקים שטופלו באנטיביוטיקה, הם גילו שתאים עם רטרונים - מה שמקנה להם את כוח העל החדש כנגד תרופות - נותרו בחלקים גבוהים בהרבה מאשר תאים אחרים.

בבדיקה אחרת, הצוות ניסה לקבוע כמה רטרונים הם יכולים להשתמש בו זמנית. הם לקחו זן נוסף של חיידקים עמידים בפני אנטיבקטריאלים, וקיצצו את הגנום שלו כדי לבנות ספרייה של עשרות מיליוני רטרונים. לאחר מכן הם הדביקו את הנתחים הללו לתוך הולה הופ של DNA - הנקראים פלסמידים - והעבירו אותם לתאי חיידקים. כמו קודם, הצוות יכול למצוא בקלות את הרטרונים שהעניקו כוח אנטי-בקטריאלי באמצעות רצף הברקודים של אלה שנותרו בחיים.

אבל למה?

ככה. אבל מה הסיבה?

המטרה קלה: למצוא פיתרון אחר ל- CRISPR שיכול להשפיע על מיליוני תאים בבת אחת, מבלי לפגוע בתאים. במילים אחרות, קחו עריכת גנים לעידן הביג דאטה, דרך דורות מרובים.

בהשוואה ל- CRISPR, כלי ה- RLR החדש פשוט יותר מכיוון שהוא אינו דורש כלי "מדריך" בנוסף לכלי "עריכה" - רטרון הוא בעצם דו-אחד. היכולת להשפיע על מספר גנים בו זמנית - מבלי לחתוך אותם פיזית - הופכת אותו גם לכלי מסקרן לביולוגיה סינתטית. הכלי קיבל גם כוח להישאר. במקום אתוס CRISPR "אחד ונעשה", הוא נמשך לדורות כאשר התאים מתחלקים.

עם זאת, ל-RTR יש תחרות. מכיוון שהוא עובד בצורה הטובה ביותר עם תאים מתחלקים, ייתכן שהוא אינו חזק בתאים סרבנים שמסרבים להתפצל - למשל, נוירונים. נוסף על כך, שדרוגים אחרונים ל-CRISPR אפשרו גם להפעיל או לכבות גנים - מבלי לחתוך אותם - באמצעות אפיגנטיקה.

אבל RLR מציע קנה מידה. "היכולת לנתח ספריות מוטציות מאוגדות וברקודיות עם RLR מאפשרת לבצע מיליוני ניסויים בו זמנית, ומאפשרים לנו לראות את ההשפעות של מוטציות ברחבי הגנום, כמו גם כיצד מוטציות אלו עשויות לתקשר זה עם זה", אמר צ'רץ '.

תמונת אשראי: פיט לינפורת ' החל מ- pixabay

מקור: https://singularityhub.com/2021/05/11/a-new-gene-editing-tool-rivals-crispr-and-can-make-millions-of-edits-at-once/