CRISPR đang mở ra cuộc cách mạng trong y học, cho phép các nhà khoa học chỉnh sửa gen chính xác để tìm ra nguyên nhân và khắc phục đột biến gây ung thư. Nhờ công cụ này, việc phát hiện mục tiêu điều trị mới và phát triển liệu pháp trúng đích trở nên khả thi hơn bao giờ hết.

1. Ứng dụng CRISPR trong giải mã gen và nghiên cứu ung thư

Có hơn 6 tỷ đơn vị, hoặc nucleotide, của DNA trong bộ gen. Chúng chứa tất cả thông tin cần thiết để tạo ra một sinh vật riêng lẻ. Một số trình tự DNA nhất định, được gọi là gen, chứa các hướng dẫn tạo ra các protein quyết định mọi thứ về cách chúng ta trông và cách chúng ta hoạt động. Chúng tôi hy vọng có một số khác biệt trong các trình tự dẫn đến sự khác biệt ở mỗi người, nhưng đôi khi những hướng dẫn này có đột biến hoặc thay đổi đáng kể, có thể dẫn đến các bệnh nghiêm trọng như Ung thư.

Hãy tưởng tượng bạn phải tìm ra những thay đổi nào trong chuỗi dài 6 tỷ mã gen đó là quan trọng để nhắm mục tiêu các phương pháp điều trị bệnh. Và, một khi bạn xác định được một số gen quan trọng đó, bạn làm cách nào để khắc phục những đột biến đó?

Một khám phá thay đổi cuộc chơi vào năm 2012 của một hệ thống có tên CRISPR đã gây ra một cuộc cách mạng về đột phá y sinh trong thập kỷ qua. Các nhà khoa học có thể sử dụng nó để nhắm mục tiêu, chỉnh sửa, sửa đổi và điều chỉnh các gen và đưa bất kỳ enzym hoặc protein nào họ muốn vào bất kỳ vị trí nào trong bộ gen. Điều này cho phép họ tìm ra các mục tiêu điều trị mới và hiểu cách các gen khác nhau ảnh hưởng đến tế bào theo cách mà trước đây không thể.

Nhưng làm thế nào để chúng ta áp dụng CRISPR để hiểu bệnh Ung thư? Chúng tôi đã nói chuyện với Traver Hart, Ph.D. , phó giáo sư về Tin sinh học và Sinh học Tính toán, để tìm hiểu thêm về CRISPR và cách nó có thể được sử dụng để thúc đẩy điều trị Ung thư .

2. CRISPR và Cas là gì?

CRISPR là viết tắt của Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats (các đoạn lặp ngắn, đối xứng và cách đều trong bộ gene). Nó quá dài và phức tạp vì vậy các nhà khoa học gọi nó đơn giản là CRISPR. Đây là những trình tự lặp lại trong mã di truyền lần đầu tiên được tìm thấy ở vi khuẩn và sau đó được phát hiện là một phần của hệ thống miễn dịch thích ứng mới của vi khuẩn chống lại phage, vốn là những loại virus tấn công vi khuẩn.

Nói đơn giản:

Đây là một công cụ chỉnh sửa gene chính xác được phát hiện từ cơ chế tự vệ của vi khuẩn.
Trong tự nhiên, vi khuẩn dùng CRISPR như một “bộ nhớ miễn dịch”: khi từng bị virus tấn công, vi khuẩn sẽ lưu lại một đoạn gene của virus. Nếu virus quay lại, hệ thống CRISPR sẽ nhận ra và cắt đứt DNA của virus, tiêu diệt nó.

Các nhà khoa học đã khai thác cơ chế này để:

Chỉnh sửa DNA trong tế bào: cắt bỏ, thêm vào hoặc thay đổi đoạn gene cụ thể.
Ứng dụng trong nghiên cứu, nông nghiệp, và đặc biệt là y học, ví dụ:
- Tạo mô hình bệnh di truyền để nghiên cứu.
- Thử nghiệm điều trị các bệnh như hồng cầu hình liềm, beta-thalassemia, ung thư, HIV.
- Trong liệu pháp miễn dịch (CAR-T, CAR-NK), CRISPR giúp chỉnh sửa tế bào miễn dịch để chúng hoạt động mạnh hơn và ít bị ức chế bởi môi trường khối u.

Hiểu nôm na: CRISPR giống như “cái kéo phân tử” cho phép các nhà khoa học cắt và dán gene một cách chính xác, nhanh và rẻ hơn nhiều so với công nghệ cũ.

Cas (CRISPR-associated proteins) là các protein giúp CRISPR hoạt động: chúng có khả năng phát hiện DNA lạ, sau đó cắt phá.

Hệ thống này kết hợp các trình tự DNA CRISPR và một tập hợp các protein Cas (“ C RISPR như được xã hội hóa ”) để xác định và tiêu diệt DNA của virus xâm nhập. Nó cũng nhúng một mẫu DNA của virus đó vào giữa các chuỗi CRISPR này để có thể dễ dàng nhận ra và tấn công cùng một loại virus trong tương lai. Nhờ phát hiện bất ngờ này ở vi khuẩn E.coli , các nhà khoa học hiện có thể khai thác phương pháp này và sử dụng nó theo cách tương tự trong tế bào người.

3. CRISPR hoạt động như thế nào?

Phần chính của hệ thống CRISPR là Cas endonuclease, protein Cas cắt các sợi DNA. Các protein Cas này có thể được lập trình để tìm một trình tự từ 17 đến 24 chữ cái bằng cách gắn một RNA dẫn đường khớp duy nhất với mục tiêu DNA cụ thể. Nó tương tự như một chìa khóa khớp với một ổ khóa. Các nhà nghiên cứu có sẵn một thư viện lớn các RNA dẫn đường có thể khớp với một số phần nhất định của các gen khác nhau trong bộ gen người.

Khi CRISPR được thêm vào một tế bào, nó sẽ tìm kiếm và liên kết với chuỗi đích phù hợp đó trong DNA và protein Cas được gắn vào sẽ được kích hoạt để thực hiện những gì các nhà khoa học yêu cầu. Một số protein Cas - chẳng hạn như Cas9 - có thể cắt hoặc phá vỡ DNA. Đây là loại protein ban đầu được tìm thấy trong vi khuẩn. Những người khác đã được thiết kế để bật hoặc tắt một gen mà không cần phải cắt nó. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu tìm hiểu thêm về điều gì sẽ xảy ra nếu tế bào tạo ra quá nhiều (điều hòa) hoặc quá ít (điều hòa giảm) một loại protein nhất định và điều đó có thể ảnh hưởng đến kết quả của tế bào như thế nào.

4. Làm thế nào để chúng ta sử dụng CRISPR để nghiên cứu Ung thư trong tế bào người?

Trong vài thập kỷ qua, các nghiên cứu đã được thực hiện trong các tế bào nấm men và các sinh vật mô hình khác, nơi các nhà khoa học có thể chỉnh sửa bộ gen một cách hiệu quả. Việc phát hiện ra CRISPR đã góp phần thay đổi điều đó.

Chúng tôi có thể chỉnh sửa bộ gen trực tiếp trong tế bào người một cách dễ dàng chưa từng có nhờ CRISPR.

Khi CRISPR cắt DNA mục tiêu, nó sẽ được sửa chữa hoặc thay thế bằng một trình tự khác. Các nhà khoa học sử dụng phương pháp này để loại bỏ gen người trong tế bào Ung thư và xác định gen nào trong số những gen đó cần thiết cho sự phát triển của tế bào khối u mà không gây hại cho tế bào bình thường. Điều này cho phép chúng tôi chỉ định các ứng cử viên gen cho các mục tiêu thuốc có thể rất đặc hiệu với khối u. Phòng thí nghiệm của tôi đang cố gắng tìm ra những cách tốt hơn để tiêu diệt các tế bào khối u bằng cách vô hiệu hóa nhiều gen cùng một lúc bằng cách sử dụng một protein Cas khác có tên là Cas12a. Điều này cung cấp cho chúng ta cái nhìn sâu sắc hơn về cách các gen và protein khác nhau hoạt động cùng nhau trong các tế bào khối u để thúc đẩy sự tiến triển của Ung thư.

Một nghiên cứu gần đây của Yohei Yoshihama , Tiến sĩ và Ronald Depinho, MD , đã sử dụng CRISPR để sàng lọc các tế bào Ung thư và xác định một loại protein gọi là JMJD1C làm mục tiêu ứng cử trong Ung thư tuyến tiền liệt kháng thiến . Một nghiên cứu khác của Chao Wang, Ph.D. và Junjie Chen, Ph.D. , đã sử dụng CRISPR để sàng lọc các tế bào Ung thư của con người đang phát triển trên mô hình chuột và phát hiện ra một loại protein có tên KIRREL, được chứng minh là quan trọng đối với việc ức chế khối u.

5. CRISPR có thể sửa chữa gen ở người không?

Mặc dù ý tưởng có thể sửa chữa các gen “xấu” để chữa bệnh là một mục tiêu đáng theo đuổi, nhưng khoa học vẫn chưa thể làm được điều đó một cách an toàn và hiệu quả. Các nhà nghiên cứu đang xem xét cách sử dụng CRISPR để điều chỉnh các khiếm khuyết di truyền gây ra bệnh beta-thalassemia và thiếu máu hồng cầu hình liềm, những căn bệnh ảnh hưởng đến lượng hemoglobin trong cơ thể và khiến bệnh nhân phải truyền máu liên tục. Nếu được chấp thuận, loại liệu pháp này, được gọi là exa-cell, sẽ trở thành phương pháp điều trị y tế dựa trên CRISPR đầu tiên, điều này vô cùng thú vị

Giới hạn & thách thức

Hiện nay, việc “sửa gene” trong người vẫn gặp nhiều rào cản về an toàn: khả năng gây sai sót (off-target effects), phản ứng miễn dịch, và các vấn đề đạo đức.
Cần đảm bảo CRISPR chỉ tác động đúng mục tiêu, không ảnh hưởng tới DNA khác.

6. Những kỳ vọng điều trị từ CRISPR?

Khả năng là vô tận đối với thông tin có thể thu được từ việc sử dụng hệ thống CRISPR và chỉ 10 năm sau, các nhà khoa học mới chỉ sơ khai trên bề mặt. Các protein Cas mới hơn và các enzym khác đang được nghiên cứu, và vẫn còn nhiều câu hỏi về cách làm cho CRISPR cụ thể hơn để nó không vô tình có mục tiêu ngoài ý muốn.

Tại MD Anderson, việc sử dụng CRISPR tiếp tục giúp hiểu rõ hơn về cách các tế bào Ung thư hoạt động và giúp khám phá ra nhiều cách để nhắm mục tiêu các phương pháp điều trị riêng lẻ cụ thể cho một số khối u nhất định, hy vọng một ngày nào đó, chúng ta sẽ đạt được mục tiêu là chấm dứt Ung thư.

Chỉnh sửa gen bằng CRISPR - bước đột phá giúp nhắm trúng đích ung thư