CRISPR/Cas9 – Bước đột phá của kỹ thuật thao tác trên DNA bộ gen  

Nguyễn Gia Khuê1 *, Nguyễn Thế Kha2

1 Nghiên cứu sinh tại Đại học Arkansas, Fayetteville, Hoa Kỳ
2 Nghiên cứu sinh tại Đại học Khoa học và Kỹ thuật Pohang (POSTECH), Hàn Quốc
* Độc giả có thắc mắc về bài báo xin liên hệ: kgnguyen@email.uark.edu

 

Giới thiệu

Việc thao tác và biến đổi DNA bộ gen từ lâu đã là niềm khao khát của con người. Giấc mơ đó đã gần với hiện thực hơn bao giờ hết khi dự án giải mã bộ gen người hoàn thành năm 2003. Thông tin từ bộ gen của người cũng như của nhiều sinh vật khác đã giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về cấu trúc, sự sắp xếp, và trình tự nucleotit của từng gen riêng biệt. Các kỹ thuật thao tác trên gen có ý nghĩa và tầm quan trọng to lớn trong việc giúp con người nghiên cứu chức năng của từng gen hoặc hệ gen, sửa chữa các sai hỏng do đột biến ở các bệnh di truyền, và biến đổi đặc điểm di truyền theo mục đích riêng của con người. Tuy nhiên, làm thế nào để biến đổi, sữa chửa sai hỏng đối với từng gen cụ thể là một thách thức rất lớn đối với các nhà khoa học.

Hệ thống CRISPR/Cas

Trong suốt một thập kỷ qua, các kỹ thuật thao tác DNA bộ gen dựa trên hoạt động của enzyme endonuclease như Zinc Finger Nucleases (ZFNs) và Transcription Activator Like Effector Nuclease (TALEN) được sử dụng rộng rãi (1). Tuy nhiên, quy trình của các phương pháp này rất phức tạp trong việc thiết kế và đưa vào sử dụng trong thực tế. Do đó tính ứng dụng của các phương pháp này chưa cao, đặc biệt đối với các ứng dụng lâm sàng.  Gần đây, nhiều nghiên cứu đã sử dụng thành công kỹ thuật biến đổi DNA bộ gen dựa trên hệ thống CRISPR/Cas (2, 3). Hệ thống này dựa trên cơ chế “miễn dịch” của vi khuẩn chống lại sự xâm nhiễm phân tử DNA ngoại lai từ virus hoặc DNA plasmid (1). Khác với hệ thống “miễn dịch” dựa trên enzyme cắt giới hạn, hệ thống này dựa trên phân tử RNA để nhận diện và phá hủy DNA ngoại lai. Để bảo vệ vi khuẩn khỏi DNA ngoại lai, vi khuẩn gắn chèn một đoạn ngắn DNA ngoại lai vào DNA bộ gen tại vùng trình tự lặp lại CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat). Vùng trình tự này được phiên mã và được xử lý thành các đoạn RNA ngắn (được gọi là crRNA_CRISPR-derived RNA) các crRNA này sẽ liên kết với endonuclease Cas để nhận diện DNA mục tiêu (thông qua liên kết bổ sung của trình tự crRNA và DNA mục tiêu) và cắt phân tử DNA mục tiêu (thông qua hoạt động endonuclease của Cas) (Hình 1).

Hình 1. Quá trình hoạt động của cơ chế CRISPR/Cas ở vi khuẩn chống lại sự xâm nhập của DNA ngoại lai.

Các nhà khoa học dựa trên cơ sở CRISPR/Cas để thiết kế hệ thống biến đổi DNA bộ gen trên tế bào động vật có vú (bao gồm cả tế bào người). Hệ thống này cơ bản bao gồm hai phần chính là enzyme endonuclease Cas 9 và phân tử RNA dẫn đường (gRNA) (4). Enzyme Cas 9 có vai trò phân cắt DNA mục tiêu, trong khi phân tử RNA dẫn đường có vai trò nhận diện DNA mục tiêu chứa trình tự bổ sung với phân tử gRNA. Ngoài ra, trên gRNA còn có sự hiện diện của trình tự PAM (Protospacer-Adjacent Motif). Trình tự PAM có vai trò quan trọng đối với quá trình nhận diện và gắn chuyên biệt của enzyme Cas 9 vào trình tự mục tiêu. Đối với enzyme Cas 9, trình tự PAM bao gồm 3 nucleotit – NGG, trong đó N là một nucleotit bất kỳ. Bằng việc thiết kế các trình tự gRNA khác nhau (khoảng 20 nucleotit), các nhà khoa học hầu như có thể tác động đến bất kì gen nào. Với việc thiết kế đơn giản (chỉ thay đổi trình tự gRNA) và hiệu quả cao, có thể sử dụng đối với nhiều loại tế bào khác nhau và nhiều gen cùng lúc, CRISPR/Cas thực sự là một hệ thống tiềm năng để biến đổi DNA bộ gen (Hình 2).

Hình 2. Cơ chế hoạt động của CRISPR/Cas trong trường hợp gây biến đổi trình tự gen.

Trình tự CRISPR lần đầu tiên được tìm ra vào năm 1987 do các nghiên cứu của Yoshizumi Ishino và cộng sự tại trường Đại học Osaka, Nhật Bản (1). Điều này thúc đẩy các nhà khoa học tập trung nghiên cứu chức năng đặc biệt của chúng trong hệ miễn dịch của vi khuẩn trong những năm gần đây. Vào năm 2012, hai nhóm nghiên cứu độc lập của Tiến sĩ Emmanuelle Charpentier tại trường đại học Umea và Tiến sĩ Jennifer Doudna tại trường đại học California, Berkeley đã cùng khám phá ra cơ chế hoạt động của enzyme Cas và CRISPR (1). Tiến sĩ Craig Mello, người được trao giải thưởng Nobel về Sinh lý học và Y học năm 2006 về công trình nghiên cứu RNAi (RNA interference), đã có những lời bình luận về tương lai hứa hẹn của phương pháp này như sau: “CRISPR/Cas có ý nghĩa vô cùng to lớn, khả năng của nó vô cùng mạnh mẽ, bời vì chúng ta về cơ bản có thể thay đổi bộ gen theo bất cứ điều gì chúng ta muốn” (5). Mello nhấn mạnh rằng phương pháp này có thể được sử dụng rộng rãi từ các ứng dụng cho nông nghiệp đến các ứng dụng liệu pháp gen trong điều trị các bệnh lý trên người. Phương pháp này thật sự là một thành công của nghiên cứu khoa học cơ bản, đây cũng là một đột phá to lớn có tác động mạnh mẽ đối với di truyền học phân tử (5).

 

Kết luận

CRISPR/Cas đang ngày càng chứng tỏ tiềm năng ứng dụng mạnh mẽ của mình. Các nhà khoa học đang tiến hành việc nghiên cứu để sử dụng hệ thống này để sửa chữa các sai hỏng trong DNA bộ gen trong các bệnh lý di truyền (1). Một hướng ứng dụng khác là trong các nghiên cứu tế bào gốc nhằm biệt hóa các tế bào gốc thành nhiều loại tế bào khác nhau nhờ điều chỉnh di truyền trong DNA bộ gen (1). Ngoài ra, CRISPR/Cas còn có thể được sử dụng trong việc tạo ra các loại động vật và thực vật biến đổi gen với hiệu quả cao. Thậm chí gần đây, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Yoshio Koyanagi còn sử dụng hệ thống CRISPR/Cas để phá huỷ bộ gen của HIV nhằm dùng nó như một liệu pháp tiềm năng đối với bệnh AIDS (6). Nhiều kết quả khả quan ban đầu của việc sử dụng hệ thống này cũng đã được công bố trên các tạp chí uy tín trên thế giới. Mặc dù chỉ mới được phát triển gần đây, nhưng hệ thống CRISPR/Cas nhanh chóng được sử dụng rộng rãi trong việc biến đổi DNA bộ gen.

Về tác giả:  Nguyễn Gia Khuê hiện đang là nghiên cứu sinh tại Đại học Arkansas, Fayetteville, Hoa Kỳ. Nguyễn Thế Kha đang là Nghiên cứu sinh tại Đại học Khoa học và Kỹ thuật Pohang (POSTECH), Hàn Quốc. 

Biên tập viên:  Đàm Xuân Thái      

Tài liệu tham khảo

1.         Doudna JA & Charpentier E (2014) Genome editing. The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9. Science 346(6213):1258096.
2.         Platt RJ, et al. (2014) CRISPR-Cas9 knockin mice for genome editing and cancer modeling. Cell 159(2):440-455.
3.         Xue W, et al. (2014) CRISPR-mediated direct mutation of cancer genes in the mouse liver. Nature 514(7522):380-384.
4.         Ran FA, et al. (2013) Genome engineering using the CRISPR-Cas9 system. Nature protocols 8(11):2281-2308.
5.         Palca J (2014) A CRISPR Way To Fix Faulty Genes.  (National Public Radio).
6.         Ebina H, Misawa N, Kanemura Y, & Koyanagi Y (2013) Harnessing the CRISPR/Cas9 system to disrupt latent HIV-1 provirus. Scientific reports 3:2510.

--- 

Đăng bài: 03/06/2016

Category: 

Add new comment

CAPTCHA
This question is for testing whether or not you are a human visitor and to prevent automated spam submissions.
Image CAPTCHA
Enter the characters shown in the image.