CRISPR / Cas chống bệnh Huntington

CRISPR / Cas chống bệnh Huntington

Tuyana Malankhanova, Suren Zakian
"Khoa học đầu tay" №4 (75), 2017

Trên: gen "khỏe mạnh" NTT mã hóa chất săn bắt protein. Dưới đây: gen đột biến HTT

Ngày nay, theo Trung tâm Nghiên cứu Neuro của Harvard, chỉ riêng tại Hoa Kỳ, có khoảng 5 triệu người mắc bệnh Alzheimer; 1 triệu – từ bệnh Parkinson; 400 nghìn – từ bệnh đa xơ cứng; 30 nghìn người – từ bệnh xơ cứng teo cơ (bệnh Lou Gehrig) và bệnh Huntington. Những rối loạn này, thuộc nhóm bệnh thoái hóa thần kinh, chưa được hiểu rõ và không có phương pháp điều trị hiệu quả cho họ. Công cụ chỉnh sửa gen, hệ thống CRISPR / Cas9, đang được tích cực và sử dụng thành công trong sinh học và y học, có thể giúp giải quyết vấn đề này.

Giới thiệu về tác giả

Tuyana Bairovna Malankhanova – Sinh viên sau đại học, Đại học bang Novosibirsk, Trợ lý phòng thí nghiệm cấp cao, Phòng thí nghiệm phát triển biểu sinh, Viện Khoa học và Di truyền học, Chi nhánh Siberia của Viện Hàn lâm Khoa học Nga (Novosibirsk). Tác giả và đồng tác giả của 3 bài báo khoa học và 1 chuyên khảo.

Suren Minasovich Zakian – Tiến sĩ Khoa học Sinh học, Giáo sư, Trưởng phòng thí nghiệm Phát triển Biểu sinh của Viện Tế bào học và Di truyền học,phòng thí nghiệm tế bào gốc của Trung tâm Công nghệ Y học Mới của Viện Sinh học Hóa học và Y học cơ bản của Chi nhánh Siberia của Viện Hàn lâm Khoa học Nga (Novosibirsk); Phòng thí nghiệm Y học phân tử và tế bào, Trung tâm nghiên cứu y học quốc gia. Acad. E.N. Meshalkina (Novosibirsk), Phòng thí nghiệm kỹ thuật di động của FEN thuộc Đại học bang Novosibirsk. Tác giả và đồng tác giả của hơn 200 bài báo khoa học, bao gồm 33 chuyên khảo và 5 bằng sáng chế.

Trong những thập kỷ qua, tuổi thọ trung bình của một người đã tăng lên, và bây giờ một số lượng lớn người sống đến tuổi khi các bệnh khác nhau liên quan đến tuổi già có thể bắt đầu thể hiện bản thân. Những bệnh "tuổi già" này bao gồm các bệnh thoái hóa thần kinh, phần lớn trong số đó được đặc trưng bởi cái chết dần dần và chọn lọc của các loại tế bào thần kinh cụ thể. Nguyên nhân của các bệnh này thường là vi phạm nhất trong bộ gen.

Hãy xem xét vấn đề này bằng ví dụ. Bệnh Huntington (các tên khác là hội chứng Huntington, chorea của Huntington, hoặc hội chứng Huntington), biểu hiện bằng các triệu chứng như mất kiểm soát động cơ và rối loạn tâm thần ngày càng tăng.Mặc dù thực tế rằng đột biến di truyền gây ra căn bệnh này đã được xác định cách đây hơn 20 năm, cơ chế phân tử của sự phát triển của nó vẫn chưa được hiểu đầy đủ, cũng như không tìm thấy cách điều trị hiệu quả cho căn bệnh này.

Những người mắc bệnh Huntington có những chuyển động bất thường và không kiểm soát được gần như tất cả các cơ của cơ thể (“Vũ điệu của St. Vitus”), cũng như suy giảm trí tuệ và nhận thức. Bệnh nghiêm trọng này thường bắt đầu xuất hiện sau 35 năm và có tính chất tiến bộ.

Mô hình hóa bệnh

Nguyên nhân gây bệnh Huntington là sự gia tăng số lượng lặp lại CIN trinucleotide trong gen HTT mã hóa một protein săn lùng. Thông thường, gen này chứa từ 8 đến 36 lần lặp lại, nhưng khi con số này đạt đến 37 hoặc hơn, bệnh bắt đầu phát triển. Triple CAG mã hóa axit amin glutamine. Theo đó, trong bệnh Huntington, huntingtin được tổng hợp với một chuỗi polyglutamine mở rộng. Protein như vậy có cấu trúc không gian bất thường và không thể thực hiện chức năng của nó trong tế bào, mà nhân tiện, vẫn chưa được biết. Ngoài ra, trong striatumỞ một trong các bộ phận của não điều chỉnh giai điệu cơ, một protein đột biến tạo thành các uẩn có tác dụng độc hại. Trong trường hợp này, mức độ nghiêm trọng của quá trình bệnh phụ thuộc vào số lần lặp lại CAG.

Để khám phá các quá trình phân tử dẫn đến sự phát triển của bệnh lý, cũng như để thử nghiệm các loại thuốc mới, chúng ta cần một mô hình sinh học tái tạo bệnh của con người càng chặt chẽ càng tốt. Để tạo ra một mô hình bệnh Huntington, các nhà khoa học đã giới thiệu gen NTT đột biến của con người vào hệ gen của chuột thí nghiệm. Tuy nhiên, các kết quả thu được trong các mô hình "chuột" này không phải lúc nào cũng phản ánh chính xác các quá trình xảy ra trong cơ thể con người. Thoát – dòng tế bào có nguồn gốc từ con người.

Để nghiên cứu bệnh Huntington, nó là cần thiết để có các tế bào striatum, nhưng rất khó để có được một vật liệu sinh học như vậy. Vấn đề này được giải quyết bởi tế bào gốc đa năng gây ra (IPSCs), có thể dễ dàng tái lập trình, có thể thu được từ tế bào da người hoặc máu. Hơn nữa, các tế bào này có thể được mở rộng với số lượng không giới hạn và phân biệt (biến đổi) thành hầu như bất kỳ loại tế bào mong muốn nào.

Hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR / Cas9 ngày nay được sử dụng để tạo ra các dòng tế bào mô hình bệnh Huntington thông qua việc tạo ra các tế bào gốc đa năng gây ra (iPSCs) từ các tế bào soma của con người.

Thông thường, khi mô hình hóa bệnh, các tế bào từ người bệnh được sử dụng, và như một sự kiểm soát, từ một nhà tài trợ lành mạnh. Tuy nhiên, do sự hiện diện trong hệ gen của con người với số lượng lớn nucleotide đơn đa hình các cặp tế bào như vậy không hoàn toàn chính xác để so sánh. Việc kiểm soát lý tưởng cho các tế bào “bị bệnh” sẽ là các tế bào có cùng hệ gen, nhưng không có đột biến gây ra bệnh. Các tế bào này được gọi là cặp gây động hoặc theo dòng. Để tạo ra các đường đẳng động và sử dụng công cụ để chỉnh sửa các gen CRISPR / Cas9.

Khám phá môi trường gen

Mặc dù bệnh Huntington là bệnh đơn độctức là do một đột biến trong một gen, hơn 100 gen được gọi là modifier được biết là có thể ảnh hưởng đến thời gian của các triệu chứng đầu tiên, mức độ nghiêm trọng của bệnh, vv Công cụ thuận tiện nhất để làm sáng tỏ vai trò của các gen này trong bệnh sinh của bệnh Huntington CRISPR / Cas9 dựa trên GeCKO (Shalem và cộng sự, 2014).Nó cho phép bạn tạo ra toàn bộ thư viện các mục tiêu gen cho CRISPR / Cas9 và tắt hàng ngàn gen chỉ trong một vài bước. Vì vậy, nó có thể sản xuất trong một thời gian ngắn. loại bỏ (tắt) tất cả các gen sửa đổi và tìm hiểu cách điều này ảnh hưởng đến khả năng tồn tại của tế bào, tốc độ phân chia của chúng, v.v.

Với sự trợ giúp của các công cụ dựa trên CRISPR / Cas9, bây giờ bạn có thể chỉnh sửa không chỉ bộ gen, đó là thông tin di truyền, mà còn bản địaphản ánh những thay đổi trong công việc của các gen không ảnh hưởng đến cấu trúc của DNA. Nhờ chỉnh sửa hệ gen, chúng tôi có cơ hội thay đổi mức độ biểu hiện của gen mục tiêu. Để làm điều này, các công cụ đã được phát triển, trong đó Cas9 bị tắt, các enzym khác nhau được gắn vào nó, có thể kích hoạt hoặc ngược lại, ngăn chặn mức sản xuất của một hoặc một protein khác. Ví dụ, trong trường hợp bệnh Huntington, nó có thể ngăn chặn sự tổng hợp protein đột biến, do đó ngăn chặn sự hình thành các uẩn protein và cái chết của các tế bào thần kinh striatum.

Tuy nhiên, bạn có thể kích hoạt và các hợp chất sẽ góp phần vào việc loại bỏ nhanh hoặc thoái hóa protein với cấu trúc sai.Ví dụ, hiệu ứng này đạt được do kích hoạt các protein sốc nhiệt (người đi kèm) gắn các dấu chết vào các protein bất thường. Protein được dán nhãn theo cách này nhập vào cấu trúc tế bào đặc biệt, nơi chúng bị phá hủy.

Ngoài ra, CRISPR / Cas9 dựa trên công cụ sửa đổi bản địa có thể thay đổi mức độ tổng hợp protein bằng cách sửa đổi chất nhiễm sắc – một phức hợp nhỏ gọn của DNA, RNA và protein trong nhiễm sắc thể. Bạn có thể thực hiện những thay đổi như vậy đối với nhiễm sắc thể, điều này sẽ dẫn đến việc gấp DNA "lỏng" hơn, kích hoạt phiên âm (đọc thông tin di truyền về RNA). Những thay đổi khác, ngược lại, có thể đóng góp cho việc gấp DNA nhỏ gọn hơn và làm chậm hoặc thậm chí chặn hoàn toàn phiên mã.

Chúng ta đối xử?

CRISPR / Cas9 cũng có thể được sử dụng để điều trị bệnh Huntington. Có hai lựa chọn để tiếp xúc: rút ngắn CAG lặp lại hoặc đặc biệt tắt một bản sao đột biến của một gen.

Trong trường hợp đầu tiên, việc sử dụng các ngắt gãy đôi CRISPR / Cas9 được chèn vào một chuỗi với các lần lặp lại. Tuy nhiên, sự can thiệp này có tác dụng ngược lại – sự gia tăng số lần lặp lại CAG. Vấn đề đã được giải quyết bằng cách sử dụng nikaz Cas9 – protein đột biến Cas9, làm cho sự phá vỡ sợi đơn trong DNA. Thí nghiệm cho thấy rằng các sợi đơn liên tiếp bị phá vỡ ở các vùng có sự lặp lại ở mức thấp nhất không làm thay đổi chiều dài của đoạn với sự lặp lại, và dẫn đến sự rút ngắn mong đợi nhất của nó (Cinesi và cộng sự, 2016).

Đề án rút ngắn đoạn kéo dài lặp đi lặp lại của gen CAG HTT bằng hệ thống CRISPR / Cas9 tiêu chuẩn, trong đó đưa DNA chuỗi kép vào DNA, và sử dụng Casik nikac, trong đó giới thiệu những khoảng trống đơn sợi. Bởi: (Cinesi et al., 2016)

Bạn có thể sử dụng chiến lược để tắt một gen trong những trường hợp hiếm hoi khi có sự khác biệt đơn nucleotide giữa hai bản sao của gen NTT. Nếu các đa hình như vậy được đặt trên cả hai mặt của trang web với sự lặp lại bất thường, chúng có thể được sử dụng làm mục tiêu cho kéo CRISPR / Cas9. Đồng thời, một bản sao bình thường của gen sẽ không bị ảnh hưởng (Shin và cộng sự, 2016).

Nghiên cứu về bệnh Huntington sử dụng hệ thống CRISPR / Cas9 đang được tiến hành ngày hôm nay ở Nga. Do đó, trong phòng thí nghiệm về phát triển biểu sinh của Viện Khoa học và Di truyền học thuộc Viện Khoa học và Di truyền học của Viện Hàn lâm Khoa học Nga (Novosibirsk), công việc đang được thực hiện để lấy các dòng tế bào gốc gây bệnh mô hình bệnh Huntington bằng cách giới thiệu các đường CAG kéo dài vào gen NTT bình thường, cũng như phân hóa các iPSC thành các tế bào thần kinh striatum.Trong tương lai, các nhà nghiên cứu của Novosibirsk có kế hoạch tiếp tục nghiên cứu vai trò của các gen biến đổi trong sinh bệnh học của bệnh này bằng cách sử dụng một mô hình tế bào.

Có lý do để hy vọng rằng các kết quả nghiên cứu sẽ dẫn đến việc tạo ra một phương pháp điều trị hiệu quả. Ngoài ra, họ có thể giúp đỡ trong việc nghiên cứu các bệnh thoái hóa thần kinh khác, sự phát triển trong đó là do một đột biến tương tự.

Văn học
1. Medvedev S.P. Làm thế nào để chỉnh sửa di truyền // Khoa học trực tiếp. 2014. T. 55. Số 1. P. 10-14.
2. Cinesi C., Aeschbach L., Yang B., Dion V. Ký hợp đồng CAG / CTG lặp lại bằng cách sử dụng CRISPR-Cas9 nickase // Nat. Commun. 2016. V. 7. P. 13272-13281.
3. Shalem O., Sanjana N. E., Hartenia E. et al. Xét nghiệm loại bỏ CRISPR-Cas9 ở tế bào người Khoa học. 2014. V. 343. N. 6166. P. 84-87.
4. Shin J. W., Kim K.-H, Chao M. J., et al. Ngừng hoạt động vĩnh viễn đột biến CRISPR / Cas9 đặc hiệu alen do bệnh Huntington // Hum Mol. Genet. 2016. V. 25. N. 20. P. 4566-4576.


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: