რევოლუცია CRISPR ტექნოლოგიაში — ახალი ფერმენტით ნებისმიერი გენის ზუსტი დამიზნება

დიუკის უნივერსიტეტის ინჟინრების მიერ შემუშავებული ახალი მეთოდით, საწყისი CRISPR გენების რედაქტირების ტექნოლოგიისგან განსხვავებით, რომელსაც ადამიანის გენომის მხოლოდ 12,5%-ის დამიზნება შეეძლო, ახლა თითქმის ყველა გენზე წვდომა გახდა შესაძლებელი, რაც დაავადებების უფრო ფართო სპექტრის დამიზნებისა და მკურნალობის საშუალებას იძლევა.

Nature Communications ჟურნალში გამოქვეყნებულ კვლევაში მონაწილეობდნენ ჰარვარდის უნივერსიტეტის, მასაჩუსეტსის ტექნოლოგიის ინსტიტუტის, მასაჩუსეტსის უნივერსიტეტის სამედიცინო სკოლის, ციურიხის უნივერსიტეტისა და McMaster-ის უნივერსიტეტის თანამშრომლებიც.

დიუკის უნივერსიტეტის ბიოსამედიცინო ინჟინერიის ასისტენტ-პროფესორმა Pranam Chatterjee-მ განაცხადა: "ამ ახალი ინსტრუმენტით გენომის თითქმის 100%-ის დამიზნება გაცილებით მეტი სიზუსტით შეგვიძლია,".

გავიხსენოთ CRISPR-Cas სისტემა

CRISPR-Cas, RNA მოლეკულებისა და CRISPR-თან ასოცირებული (Cas) ცილების გამოყენებით, ბაქტერიებს შემოჭრილი ვირუსების DNA-ის დამიზნებისა და განადგურების შესაძლებლობის მიმცემი ბაქტერიული იმუნური სისტემაა. ამ გენების რედაქტირების ტექნოლოგიის აღმოჩენის შემდეგ მკვლევრები გენური თერაპიისა და გენომის ინჟინერიისთვის ახალი CRISPR სისტემების შემუშავებაში ერთმანეთს ეჯიბრებიან.

CRISPR ტექნოლოგიამ უკვე მიღწეულისა და მომავლის შეცვლის პოტენციალის გამო 2020 წლის ნობელის პრემია ქიმიაში დაიმსახურა.

გუნდმა ახალი ინსტრუმენტის შესაძლო თერაპიული გამოყენება იმ გენეტიკური დაავადებებისთვის შეისწავლა, რომელთა მკურნალობაც სტანდარტული CRISPR სისტემით ვერ ხერხდება. პირველი ტესტები რეტის სინდრომზე ჩატარდა — პროგრესირებად ნევროლოგიურ დაავადებაზე, რომელიც განსაკუთრებით ახალგაზრდა ქალებში გვხვდება და კონკრეტულ გენში რვა სხვადასხვა მუტაციიდან ერთ-ერთითაა გამოწვეული.

მეორე ტესტი ჰანტინგტონის დაავადებას შეეხებოდა — იშვიათ მემკვიდრეობით ნევროლოგიურ დარღვევას, რომელიც თავის ტვინში ნეირონების დეგენერაციას იწვევს. ახალი ტექნოლოგიის გამოყენებით გუნდმა მანამდე მიუწვდომელი მუტაციების შეცვლით ორივე დაავადებისთვის მკურნალობის პოტენციური შესაძლებლობები შექმნა.

როგორ მუშაობს კლასიკური CRISPR და ახალი ფერმენტი?

გენომის რედაქტირებისას Cas ცილები ორ მნიშვნელოვან კომპონენტს იყენებს. პირველი RNA მოლეკულაა, რომელიც ფერმენტს DNA-ის კონკრეტული თანმიმდევრობისკენ მიმართავს. მეორე კი მოკლე DNA თანმიმდევრობაა, რომელიც Cas ცილის შესაკავშირებლადაა საჭირო, სამიზნე DNA თანმიმდევრობის უშუალოდ შემდეგ მოდის და პროტოსპეისერთან მომიჯნავე მოტივი (PAM) ეწოდება. ეს კომპონენტები Cas ცილებს სამიზნე DNA თანმიმდევრობაზე სწორად და ეფექტიანად მიმართავს.

როდესაც გზამკვლევი RNA სამიზნე კომპლემენტარულ DNA თანმიმდევრობას ამოიცნობს და Cas ფერმენტი მის გვერდით არსებულ PAM თანმიმდევრობას უკავშირდება, ფერმენტი DNA-ში ჭრილს აკეთებს. ეს ჭრილი გენეტიკურ სტრუქტურაში სასურველი ცვლილებების დაწყებას უზრუნველყოფს. ყველაზე გავრცელებული CRISPR-Cas სისტემა Streptococcus pyogenes ბაქტერიის Cas9 სისტემაა (SpCas9), რომელსაც ზედიზედ ორი გუანინის ფუძე (GG) სჭირდება.

წინა კვლევაში Chatterjee-მ და მისმა გუნდმა ბიოინფორმატიკული ინსტრუმენტებით აღმოაჩინეს და შექმნეს ახალი Cas9 ცილები, მათ შორის Sc++, რომელსაც ჭრილის გასაკეთებლად PAM-ში მხოლოდ ერთი გუანინის ფუძე სჭირდება. ამ ცვლილებამ მკვლევრებს DNA-ის ყველა თანმიმდევრობის დაახლოებით 50%-ის რედაქტირების შესაძლებლობა მისცა.

იმავდროულად, Chatterjee-ს ჰარვარდელმა თანამშრომლებმა ჰარვარდის სამედიცინო სკოლის ასისტენტ-პროფესორ Benjamin Kleinstiver-ის ხელმძღვანელობით ცალკე ვარიანტი, SpRY, შეიმუშავეს. SpRY-ს შეუძლია PAM-ის შემქმნელი DNA-ის ოთხი ფუძიდან ნებისმიერს დაუკავშირდეს, თუმცა ადენინისა და გუანინისადმი გაცილებით ძლიერი მიდრეკილება ჰქონდა.

რადგან ორივე სისტემას ნაკლოვანებები ჰქონდა, ჯგუფმა გადაწყვიტა ორივეს საუკეთესო თვისებები SpRyc სახელწოდების ახალ ვარიანტში გაეერთიანებინა.

მიუხედავად იმისა, რომ SpRYc სამიზნე DNA თანმიმდევრობებს წინამორბედებზე ნელა ჭრის, ტრადიციულ ფერმენტებთან შედარებით DNA-ის გარკვეული რეგიონების უფრო ეფექტიანად რედაქტირება შეუძლია.

დასკვნა და კომენტარი

SpRYc გენების რედაქტირების სფეროში ახალი ეპოქის კარს ხსნის. ამ ინოვაციური ფერმენტის შესაძლებლობები მნიშვნელოვანია როგორც ლაბორატორიულ დონეზე, ისე კლინიკურ პრაქტიკაში გადატანისას. SpRYc-ის გაუმჯობესებულმა ეფექტიანობამ და მაღალმა სიზუსტემ შეიძლება გენური თერაპიების მომავლის ჩამოყალიბებაში კრიტიკული როლი შეასრულოს. ამ სფეროს პროგრესი გენეტიკური დაავადებების მკურნალობაში ახალ ჰორიზონტს ხსნის, SpRYc-ის სრული პოტენციალის აღმოჩენა კი სამეცნიერო სამყაროსთვის საინტერესო გზაზე მიანიშნებს.