מדענים מקולומביה צילמו את התמונות הראשונות של כלי עריכת גנים חדש שיכול לשפר את הכלים הקיימים מבוססי CRISPR. הצוות פיתח את הכלי, שנקרא INTEGRATE, לאחר שגילה "גן קופץ" ייחודי בחיידקי Vibrio cholerae שיכול להחדיר מטענים גנטיים גדולים לגנום מבלי להכניס הפסקות DNA.
במחקר החדש, שפורסם היום ב-Nature, החוקרים רתמו טכניקה זוכת פרס נובל בשם קריו-אלקטרון מיקרוסקופיה כדי להקפיא את תסביך עריכת הגנים בפעולה, ולחשוף פרטים ברזולוציה גבוהה על אופן פעולתו.
"הראינו במחקר הראשון שלנו כיצד למנף את INTEGRATE להחדרת DNA ממוקדת בתאי חיידקים", אומר סם שטרנברג, דוקטורט, עוזר פרופסור לביוכימיה וביופיזיקה מולקולרית באוניברסיטת קולומביה ואגלוס קולג' לרופאים ומנתחים, שהוביל המחקר עם ישראל פרננדס, דוקטורט, עוזר פרופסור לביוכימיה וביופיזיקה מולקולרית בקולומביה. "התמונות החדשות הללו, שיתוף פעולה נפלא עם המעבדה של ישראל פרננדס, מסבירות את הביולוגיה בפרטים מולקולריים מדהימים ויעזרו לנו לשפר את המערכת על ידי הנחיית מאמצי הנדסת חלבון."
מתחיל כמו CRISPR, אבל יש לו סוף שונה
החוקרים השתמשו בטכניקה הנקראת מיקרוסקופ קריו-אלקטרון, הכוללת הקפאת הבזק של דגימה של קומפלקס עריכת הגנים בחנקן נוזלי והפצצתו באלקטרונים. לאחר מכן הם השתמשו בתמונות שלכדו במיקרוסקופ האלקטרונים כדי ליצור מודלים ברזולוציה אטומית של מערכת INTEGRATE.
המודל המבני מגלה שהמתחם בנוי משני חלקים עיקריים המסודרים בחוט סליל. החלק הגדול יותר, הנקרא Cascade, מתפתל ונושא RNA מדריך שבו הוא משתמש כדי לסרוק את התא לאיתור רצף תואם ב-DNA. ברגע שהוא מאתר וקושר את רצף המטרה, הוא משחיל את גדיל ה-DNA דרך חלבוני ה"טרנספוזיציה" של TniQ שיושבים על קצה הקומפלקס ומגייסים אנזימים אחרים שעוזרים לשנות את ה-DNA.
נראה שמנגנון הסריקה של INTEGRATE פועל בצורה דומה למערכות CRISPR אחרות שנחקרו היטב, שחלקן מכילות גם קומפלקס Cascade עם RNA מנחה. עם זאת, בניגוד למערכות CRISPR אחרות המשתמשות ב-Cascade כדי למקד את ה-DNA לחיתוך, תפקידו של Cascade בתוך INTEGRATE הוא למקד ל-DNA להחדרה מדויקת ביותר של מטענים גנטיים.
"הדמיה של ביולוגיה בקנה מידה זה באמת מדהימה ויכולה לרגש בקלות גם את מי שלא מכיר את הנושא.האיכות של העבודה הזו, והמהירות שבה היא הושגה, הם סמל לסביבה השיתופית שמעניקים מנטורים גדולים כמו סם וישראל", אומר טיילר הלפין-הילי, דוקטורנט בתכנית לתואר שני בלימודי סלולר, מולקולרי וביופיזיקה. במרכז הרפואי של אוניברסיטת קולומביה, והמחבר הראשון של המחקר.
במחקר הקודם שלהם, שטרנברג ועמיתיו השתמשו בגנטיקה ובביוכימיה כדי להציע כיצד מנגנון ה-CRISPR יקשר פונקציונלית למנגנון הטרנספוזיציה - המולקולות האחראיות ל"קפיצת" הגנים - והמחקר הוכיח שההשערות שלהם נכונות.
למה זה חשוב
חוקרים רבים ברחבי העולם משתמשים כעת ב-CRISPR-Cas9 כדי לבצע שינויים מדויקים במהירות ובזול בגנום של תא. עם זאת, רוב השימושים ב-CRISPR כוללים חיתוך של שני גדילי ה-DNA של המטרה, ולאחר מכן יש לתקן את הפסקת ה-DNA על ידי המנגנון של התא המארח עצמו. שליטה בתהליך התיקון הזה היא עדיין אתגר מרכזי בתחום, ולעתים קרובות מוצגות בשוגג עריכות גנים לא רצויות בגנום.בנוסף, כלים קיימים לרוב מתפקדים גרועים בהכנסת מטענים גנטיים גדולים בצורה מדויקת. שיפור הדיוק של עריכת גנים הוא בראש סדר העדיפויות של החוקרים והוא קריטי להבטחת בטיחותם של טיפולים שפותחו בטכניקה זו.
מערכת INTEGRATE החדשה שפותחה על ידי מעבדת שטרנברג יכולה להחדיר במדויק רצפי DNA גדולים מבלי להסתמך על המנגנון של התא לתיקון הגדילים. כתוצאה מכך, INTEGRATE יכולה להתגלות כדרך מדויקת ויעילה יותר לבצע שינויים גנים מסוימים מאשר מערכת CRISPR-Cas המקורית שנמצאת בשימוש נרחב. הכלי החדש יכול גם לעזור למדענים לבצע עריכת גנים בסוגי תאים עם פעילות מוגבלת של תיקון DNA כגון נוירונים, שבהם ניסיונות השימוש ב-CRISPR הצליחו פחות באופן יחסי.
מה הלאה
בנוסף ליידע את מאמצי ההנדסה העתידיים, המבנים מדגישים מחסום הגהה אפשרי. טכנולוגיות CRISPR קיימות סובלות לעתים קרובות ממה שמכונה "אפקטים מחוץ למטרה", שבהן רצפים לא מכוונים משתנים באופן מופקר.המבנים החדשים חושפים כיצד Cascade ו-TniQ עובדים יחד כדי להבטיח שרק הרצפים הנכונים "על המטרה" מסומנים להכנסת DNA. החוקרים מתכננים להמשיך ולחקור את המחסום הזה תוך פיתוח הכלי לגישות טיפוליות חדשות למחלות.
