Sử dụng ánh sáng để lập trình lại gen di truyền, "tắt" được cả các gen gây ung thư

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

Điều này hứa hẹn một phương pháp điều trị có chọn lọc bằng cách tắt các gen gây ung thư trong các khối tế bào u.

Với hệ thống mới này, việc chỉnh sửa gen di truyền chỉ xảy ra khi các nhà khoa học chiếu ánh sáng tia cực tím vào tế bào sống. Khả năng này giúp cho các nhà khoa học nghiên cứu chi tiết hơn về thời điểm xảy ra các thay đổi trong tế bào và di truyền có thể ảnh hưởng tới sự phát triển phôi thai hay cách bệnh tật tiến triển.

Hơn nữa, điều này hứa hẹn một phương pháp điều trị có chọn lọc bằng cách tắt các gen gây ung thư trong các khối tế bào u.

“Lợi thế của việc có một “công tắc” là khả năng kiểm soát một cách chính xác về không gian và thời gian,” theo Sangeeeta Bhatia, giáo sư tại MIT cho biết. Bhatia là đồng tác giả của một bài nghiên cứu mô tả phương pháp mới này trong tờ Angewandte Chemie. Tác giả chính của bài nghiên cứu là Piyush Jain, thạc sĩ tại viên nghiên cứu khoa học và công nghệ y tế trường 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 chặn đứng các gen di truyền nhất định. “Khi làm việc tại đây, CRISPR xuất hiện và ông rất hứng thú với ý tưởng điều khiển CRISPR bằng ánh sáng tương tự.” Bhatia nói.

CRISPR hoạt động dựa trên hệ thống chỉnh sửa gen di truyền có cấu tạo từ enzym có khả năng tách rời các chuỗi DNA có tên Cas9 và một chuỗi RNA ngắn có thể dẫn đường cho enzym tới một vị trí nhất định của gene di truyền

Khi Cas9 và RNA dẫn đường được đưa vào các tế bào, một đoạn gen nhất định sẽ bị cắt đi; quá trình khôi phục DNA của tế bào sẽ hàn gắn vết cắt lại nhưng lại vĩnh viễn xóa đi một phần nhỏ của chuỗi di truyền khiến nó không hoạt động được.

Trong các cố gắng tạo ra hệ thống CRISPR nhạy sáng trước đây, các nhà nghiên cứu đã chỉnh sửa enzym Cas9 để nó chỉ làm việc khi tiếp xúc với các bước sóng ánh sáng nhất định. Đội ngũ MIT quyết định tiếp cận một cách khác là làm cho phần RNA dẫn đường nhạy sáng. Đối với các ứng dụng tương lai trên người, có thể việc đưa các RNA dẫn đường đã chỉnh sửa này sẽ dễ hơn là làm cho 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 nhạy sáng. Điều này sẽ khiến hệ thống hoạt động theo kiểu mô-đun.” Để khiến cho các chuỗi RNA dẫn đường trở nên nhạy sáng, nhóm MIT đã tạo ra các lớp bảo vệ cấu tạo từ các chuỗi DNA có liên kết tự phân tách khi gặp ánh sáng. Các chuỗi DNA này có thể được điều chỉnh để liên kết với các chuỗi RNA dẫn đường khác nhau, tạo ra một hệ thống ngăn không cho chuỗi dẫn đường gắn kết với gen di truyền đích.

Khi các nhà khoa học cho tế bào đích tiếp xúc với ánh sáng 365 nanomet (nằm trong khoảng tia cực tím), lớp bảo vệ này phân rã thành nhiều mảnh nhỏ và tách ra khỏi chuỗi RNA, cho phép nó liên kết với gen di truyền đích và kích hoạt Cas9 cắt phần gen di truyền đích đi.

Khả năng tấn công nhiều gen khác nhau

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã thể hiện rằng họ có thể sử dụng ánh sáng để điều khiển quá trình chỉnh sửa gen trên protein phát sáng xanh 9GFP) và hai gen di truyền thường chỉ có trên bề mặt tế bào và thường thể hiện quá mức trong một số trường hợp ung thư.

Genomic DNA: Chuỗi gen di truyền cần chỉnh sửa

Target sequence: Đoạn gen cần loại bỏ

Guide RNA: Chuỗi RNA dẫn đường

“Nếu nghiên cứu này có thể áp dụng khái quát, thi bạn có thể tự thiết kế chuỗi lớp bảo vệ để tấn công vào nhiều gen đích khác nhau. Chúng tôi đã thiết kế các lớp bảo vệ như vậy và thí nghiệm cho thấy tất cả có khả năng như nhau được kích hoạt bằng ánh sáng. Trong một thí nghiệm đa kênh, khi một tổ hợp các lớp bảo vệ được sử dụng, chỉ duy nhất các đối tượng được bảo vệ khỏi ánh sáng bị bỏ qua.”

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

“CRISPR Cas9 là một công nghệ mạnh mẽ mà các nhà khoa học có thể dùng để tìm hiểu cách gen di truyền 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 với các thay 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 mục đích rất hợp lí vì da người tiếp xúc với tia cực tím thường xuyên. Đội ngũ cũng đang phát triển một lớp vỏ bọc vạn năng có thể được sử dụng với chuỗi RNA bất kì, loại bỏ yêu cầu thiết kế một lớp vỏ bảo vệ mới cho mỗi chuỗi RNA khác.