Sử dụng ánh sáng để kiểm soát việc chỉnh sửa gen

Phương pháp mới cho phép kiểm soát quá trình chỉnh sửa gen một cách chính xác về thời gian và vị trí.

Các nhà nghiên cứu tại MIT đã thêm lớp bên ngoài để kiểm soát quá trình chỉnh sửa gen bằng hệ thống nhạy với ánh sáng. Nguồn ảnh: MIT News

Hệ thống chỉnh sửa gen được biết đến với cái tên CRISPR cho phép các nhà khoa học xóa bỏ hoặc thay đổi một đoạn gen bất kì trong một tế bào sống. Hiện nay, các nhà nghiên cứu tại MIT đã phát triển thêm một hệ thống có khả năng kiểm soát thời gian và vị trí quá trình chỉnh sửa gen diễn ra bằng cách khiến cho hệ thống này nhạy cảm hơn với ánh sáng.

Với hệ thống mới này, việc chỉnh sửa gen chỉ xảy ra khi các nhà khoa học chiếu ánh sáng tia cực tím vào tế bào sống. Việc kiểm soát này sẽ giúp cho các nhà khoa học nghiên cứu chi tiết hơn về thời điểm xảy ra các thay đổi về tế bào và di truyền, điều mà có thể ảnh hưởng tới quá trình phát triển phôi hay sự tiến triển bệnh. Hơn nữa, điều này cũng hứa hẹn một phương pháp điều trị nhắm đích hơn bằng cách tắt các gen gây ung thư trong các khối tế bào khối u.

“Lợi thế của việc có một “công tắc” là chúng ta có thể kiểm soát một cách chính xác không gian và thời gian,” theo Sangeeeta Bhatia, giáo sư tại MIT. Bhatia là đồng tác giả của một bài nghiên cứu mô tả phương pháp mới này trên tờ Angewandte Chemie. Tác giả chính của bài nghiên cứu là Piyush Jain, thạc sĩ tại Viện nghiên cứu khoa học và Công nghệ y tế của MIT.

Sự nhạy sáng

Trước khi đến với MIT, Jain đã phát triển một phương pháp sử dụng ánh sáng để điều khiển quá trình can thiệp RNA, trong đó những chuỗi RNA nhỏ được đưa tới các tế bào để tạm thời khóa các gen nhất định. “Khi làm việc tại đây, CRISPR xuất hiện và ông rất hứng thú với ý tưởng điều khiển CRISPR bằng ánh sáng theo cách tương tự như vậy” Bhatia nói.

CRISPR phụ thuộc vào một phức hệ chỉnh sửa gen bao gồm một enzyme cắt DNA, được gọi là Cas9 và một sợi RNA ngắn có nhiệm vụ dẫn đường cho enzyme tới một vùng đặc hiệu trong hệ gen, chỉ đạo để Cas9 cắt đoạn đó. Khi Cas9 và gRNA (guide RNA) được đưa vào các tế bào, một đoạn gen nhất định sẽ bị cắt đi; quá trình khôi phục DNA của tế bào sẽ giúp hàn gắn vết cắt nhưng lại vĩnh viễn xóa đi một phần nhỏ của gen khiến nó không hoạt động được.

Trong các nỗ lực trước đây nhằm tạo ra hệ thống CRISPR nhạy sáng, các nhà nghiên cứu đã chỉnh sửa enzym Cas9 để nó chỉ hoạt động khi tiếp xúc với các bước sóng ánh sáng nhất định. Tuy nhiên, đội ngũ nghiên cứu tại MIT đã quyết định tiếp cận theo một hướng khác đó là khiến cho phần gRNA nhạy sáng. Đối với các ứng dụng tương lai trên người, có thể việc đưa các gRNA đã chỉnh sửa này sẽ dễ hơn là khiến các tế bào tiết ra enzym Cas9 nhạy sáng, Bhatia cho biết.

“Bạn không cần phải làm bất cứ điều gì khác ngoài việc thêm vào một lớp bảo vệ (protector) được hoạt hóa bởi ánh sáng. Điều này sẽ khiến hệ thống hoạt động theo kiểu mô-đun.” Để khiến cho các sợi gRNA trở nên nhạy sáng, nhóm nghiên cứu tại MIT đã tạo ra các lớp bảo vệ gồm các trình tự DNA có các liên kết tự cắt khi gặp ánh sáng dọc theo trình tự của nó. Các chuỗi DNA này có thể được điều chỉnh để gắn với các sợi gRNA khác nhau, hình thành nên một phức hệ ngăn chặn sợi gRNA gắn với đích trong hệ gen.

Khi các nhà khoa học cho tế bào đích tiếp xúc với ánh sáng có bước sóng 365 nm (trong dải tia cực tím), lớp bảo vệ này phân rã thành nhiều mảnh nhỏ và tách ra khỏi chuỗi gRNA, cho phép gRNA  gắn với gen đích và kích hoạt Cas9 cắt gen đích.

Khả năng tấn công nhiều gen khác nhau

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã chứng tỏ rằng họ có thể sử dụng ánh sáng để kiểm soát quá trình chỉnh sửa gen đối với protein phát huỳnh quang (green fluorescent protein- GFP) và hai gen thường chỉ có trên bề mặt tế bào và thường biểu hiện quá mức trong một số trường hợp ung thư.

“Nếu nghiên cứu này có thể áp dụng, thì bạn có thể tự thiết kế trình tự bảo vệ để tấn công vào nhiều trình tự đích khác nhau. Chúng tôi cũng đã thiết kế các lớp bảo vệ như vậy và thiết kế thí nghiệm sao cho tất cả đều có thể được kích hoạt bằng ánh sáng. Trong một thí nghiệm multiplex, khi một hỗn hợp các lớp bảo vệ được sử dụng, những đích duy nhất bị cắt sau khi tiếp xúc với ánh sáng là những đích có lớp bảo vệ”.

Khả năng kiểm soát chính xác thời điểm chỉnh sửa có thể giúp các nhà nghiên cứu biết thêm về các sự kiện ở quy mô tế bào liên quan tới sự tiến triển bệnh. Điều này sẽ giúp quyết định xem khi nào là lúc tốt nhất để can thiệp bằng cách tắt gen.

“CRISPR Cas9 là một công nghệ mạnh mẽ mà các nhà khoa học có thể dùng để nghiên cứu cách gen ảnh hưởng tới hành vi tế bào,” theo James Dahlman, giáo sư ngành công nghệ sinh học y tế tại đại học Georgia Tech. “Phát hiện đột phá này sẽ cho chúng ta khả năng kiểm soát các biến đổi di truyền. Do đó, công trình này đem lại cho cộng đồng khoa học một công cụ hữu ích để thúc đẩy các nghiên cứu di truyền khác.”

Phòng thí nghiệm nơi Bhatia làm việc cũng đang theo đuổi các ứng dụng y tế cho công nghệ này. Một khả năng đó là sử dụng nó để tắt các gen gây ung thư liên quan tới ung thư da, một đích rất tốt để tiếp cận vì da người thường xuyên phải tiếp xúc với tia cực tím. Đội ngũ cũng đang phát triển một lớp vỏ bọc vạn năng “universal protector” có thể được sử dụng với bất kỳ sợi RNA nào, không cần phải thiết kế lớp bảo vệ mới cho mỗi trình tự RNA khác nhau, cho phép ngăn chặn CRISPR- Cas9 cắt nhiều đích cùng lúc.

Tài liệu tham khảo:

1. Anne Trafton, "Using light to control genome editing", August 25, 2016.

2. Piyush K. Jain, Vyas Ramanan, Arnout G. Schepers, Nisha S. Dalvie, Apekshya Panda, Heather E. Fleming, Sangeeta N. Bhatia, "Development of Light-Activated CRISPR Using Guide RNAs with Photocleavable Protectors", 24 August 2016, doi: 10.1002/anie.201606123.

Lược dịch Phạm Thị Quỳnh Chi