Các nhà nghiên cứu của Đại học Rice đã chứng minh rằng CRISPR-Cas9, ngày càng nổi tiếng như một công cụ chỉnh sửa gen, có thể được sử dụng theo những cách bổ sung mạnh mẽ trong tế bào người.
Một nhóm do nhà kỹ thuật sinh học Rice Isaac Hilton và sinh viên tốt nghiệp Kaiyuan Wang đứng đầu đã sử dụng protein Cas9 (dCas9) đã khử hoạt tính để nhắm mục tiêu vào các phân đoạn chính của bộ gen người và kích hoạt tổng hợp quá trình phiên mã gen người.
>> Tham khảo: Một hệ thống định vị với độ chính xác 10 cm.
Bằng cách sử dụng dCas9 để tuyển dụng các protein có thể kích hoạt gen một cách tự nhiên, nhóm Rice đã có thể tiết lộ những chi tiết quan trọng về các yếu tố thúc đẩy và tăng cường của con người — các đoạn DNA của chúng ta phối hợp khi nào và ở mức độ nào các gen của chúng ta được kích hoạt — mà lần lượt kiểm soát các hành vi của các tế bào của chúng tôi.
“Chúng tôi đang sử dụng các công cụ sinh học tổng hợp này để cải thiện khả năng thiết kế biểu hiện gen và lập trình tế bào người, từ đó hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động tự nhiên của gen,” Hilton nói. “Những loại nghiên cứu này rất quan trọng vì về lâu dài kiến thức này và những khả năng kỹ thuật này có thể cho phép các liệu pháp gen và tế bào cũng như công nghệ sinh học tốt hơn.”
Hilton cho biết nghiên cứu trên tạp chí Nghiên cứu Axit Nucleic làm nổi bật tiềm năng ngày càng tăng của các công cụ dựa trên CRISPR-Cas9 để kiểm soát gen tổng hợp và kỹ thuật tế bào. Chiến lược của nhóm cũng thể hiện sức mạnh của dCas9 trong việc tác động và hiểu các yếu tố biểu sinh làm sống động bộ gen của con người.
Hilton cho biết: “Chỉ khoảng 2% bộ gen của chúng ta chứa các gen mã hóa protein và 98% còn lại được gọi là DNA không mã hóa. “Enhancers và promoter là những phần quan trọng trong bộ gen không mã hóa của chúng ta và mặc dù phần lớn các yếu tố này không tạo ra gen thông thường, nhưng có sự biến đổi di truyền hấp dẫn trong DNA không mã hóa. Sự biến đổi này mang lại cho chúng ta sự đa dạng tuyệt vời giúp loài của chúng ta trở nên tuyệt vời và dễ thích nghi.
Ông nói: “Tuy nhiên, biến thể di truyền trong DNA không mã hóa cũng có mối tương quan chặt chẽ với nhiều bệnh và thậm chí những khác biệt nhỏ ở những khu vực này cũng có thể liên quan đến các bệnh lý”. “Một thách thức cấp bách là thường rất khó xác định những khác biệt này ảnh hưởng như thế nào đến sự khởi phát và điều trị bệnh.
>> Tham khảo: Các phân tử thay đổi phản ứng dưới ánh sáng phân cực.
“Mục tiêu và hy vọng của chúng tôi là các công nghệ và cách tiếp cận như của chúng tôi có thể giúp các nhà nghiên cứu tiến gần hơn đến việc tạo ra những mối liên hệ quan trọng đó, và cuối cùng là dự đoán và can thiệp cẩn thận vào bệnh tật,” Hilton nói.
Bằng cách kích hoạt DNA không mã hóa một cách tổng hợp, các nhà nghiên cứu đã chứng minh cách thức các trình khởi động – các chuỗi DNA ngắn đánh dấu vị trí bắt đầu của các gen – và các trình tăng cường có thể giao tiếp với nhau. Đáng chú ý, các chất tăng cường có thể cách xa các chất khởi động của chúng hàng nghìn cặp bazơ nhưng có thể kích thích quá trình phiên mã gen bằng cách tuyển dụng các protein hoạt hóa và bằng cách hình thành các tiếp xúc vật lý trực tiếp với các chất xúc tiến liên quan.
“Các chất tăng cường đôi khi cũng có thể tạo ra các bản phiên mã bí ẩn được gọi là RNA tăng cường (eRNA)”, Hilton nói. “Kai đã chỉ ra rằng các công nghệ CRISPR có thể được sử dụng để kích hoạt các eRNA này và trong một số trường hợp, điều này thúc đẩy một loại theo dõi bộ gen, trong đó một chất tăng cường có thể được kéo dọc theo DNA để tương tác với các chất xúc tiến xuôi dòng.
Ông nói: “Dường như trên đường đi, thông tin phiên mã và biểu sinh quan trọng có thể được ký gửi. “Thật thú vị khi suy đoán rằng thông tin này có thể phục vụ như một loại đánh dấu biểu hiện gen giúp củng cố các vòng phiên mã tiếp theo theo một kiểu phản hồi biểu sinh tích cực.”
>> Tham khảo: Muối quan trọng hơn nhiệt độ vùng cực lạnh trong quá trình hình thành băng biển.
Chiến lược của họ tiết lộ rằng các chất tăng cường và chất kích thích có thể có “sự tương hỗ nội tại”. Mặc dù họ biết rằng các tín hiệu có thể được truyền từ bộ tăng cường sang bộ khởi động, nhưng họ đã biết rằng quá trình truyền này cũng có thể đi theo hướng khác.
Wang cho biết: “Chúng tôi thấy quy định đang diễn ra từ một công cụ quảng bá đến một công cụ tăng cường ngược dòng. “Về mặt cơ chế, điều đó được coi là phi chính tắc và do đó khá đáng ngạc nhiên.”
Họ cũng phát hiện ra rằng các trình kích hoạt CRISPR có thể tăng tần suất tiếp xúc vật lý giữa các chất tăng cường và các chất kích thích, nhưng chỉ khi được nhắm mục tiêu đến một chất tăng cường, gợi ý một loại đường một chiều để tăng các tiếp xúc vật lý.
“Bây giờ chúng tôi biết rằng những mảnh DNA này có thể gửi thông điệp theo cả hai hướng, nhưng dường như có một khía cạnh quan trọng về hướng tiếp xúc vật lý,” Hilton nói. “Chắc chắn là có đi có lại, nhưng có vẻ như chế độ điều tiết chiếm ưu thế ở đây là chế độ trong đó trình tăng cường theo dõi hướng tới một hoặc nhiều nhà quảng bá tương ứng.”
Các nhà nghiên cứu cho biết nghiên cứu của họ chỉ có thể thực hiện được nhờ những tiến bộ của CRISPR-Cas9. “Nếu không có các công cụ nhắm mục tiêu gen này, chúng tôi sẽ phải sử dụng các phương pháp tổng hợp xâm lấn và gây rối khác, như loại bỏ hoặc biến đổi gen một yếu tố quy định,” Wang nói. “Các phương pháp tiếp cận của chúng tôi ở đây giúp dễ dàng chiếm quyền điều khiển biểu sinh hoặc tái sử dụng các cơ chế tế bào bản địa để hiểu chính xác và thiết kế cách kiểm soát gen.”
>> Tham khảo: Các nhà nghiên cứu đề xuất khuôn khổ mới để điều chỉnh cây trồng biến đổi gen.
Các đồng tác giả của bài báo bao gồm các nhà nghiên cứu sau tiến sĩ của Rice Jing Li và Barun Mahata, các sinh viên cao học Mario Escobar và Jacob Goell, và các sinh viên chưa tốt nghiệp Spencer Shah và Madeleine Cluck. Hilton là trợ lý giáo sư về kỹ thuật sinh học và khoa học sinh học, đồng thời là Học giả CPRIT về Nghiên cứu Ung thư.
Viện Nghiên cứu và Phòng ngừa Ung thư Texas (RR170030) và Viện Y tế Quốc gia (R35GM143532) đã hỗ trợ nghiên cứu.
