Chúng ta đã từng nghe về khái niệm CRISPR từ năm 2012 với sự phấn khích khi biết rằng công nghệ chỉnh sửa gen này có thể thêm, loại bỏ hoặc trao đổi chuỗi DNA trong bộ gen của một sinh vật sống. Hiện nay, các nghiên cứu cơ bản đang tiếp tục khắc phục những vấn đề không mong muốn đi kèm với công nghệ còn “non trẻ” này, chẳng hạn như phát hiện gần đây về sự can thiệp gen có thể đưa ra nguy cơ ung thư. Nhưng nó hoạt động như thế nào, và tiềm năng của nó trong các liệu pháp biến đổi gen là gì? Dưới đây là năm điều về CRISPR mà chúng ta nên biết.
- CRISPR lấy ý tưởng từ cơ chế axit nucleic mà vi khuẩn sử dụng để nhận biết và loại bỏ virus khỏi gen của chúng.
CRISPR là viết tắt của “Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats” nghĩa là cụm DNA palindromes ngắn được lặp lại thường xuyên, (các nucleotide được sắp xếp theo trình tự mà khi đọc theo một trong hai hướng xuôi-ngược đều giống nhau) xen kẽ với các “spacer” (khoảng đệm) ngắn, không lặp lại. CRISPR ban đầu được phát hiện trong vi khuẩn và cổ khuẩn (vi sinh vật đơn bào nhân sơ), khi các đoạn DNA bản sao được phát hiện sau khi bị virus tấn công.
Các spacer được phiên mã vào các CRISPR-RNA ngắn (đóng vai trò nhận diện và dẫn đường) và kết hợp với các enzyme cắt Cas9 (CRISPR-protein 9). Sau đó, phức hệ CRISPR-Cas9 tìm kiếm DNA mục tiêu phù hợp với các trình tự spacer và enzyme cắt Cas9 cắt chúng ra bằng cách phá vỡ xoắn kép trên cả hai sợi. Bằng cách này, một cơ chế tự miễn được tế bào vi khuẩn hình thành, giúp tế bào vi khuẩn có thể nhận ra các DNA của virus và nhanh chóng loại bỏ chúng, giống như hệ miễn dịch của động vật. Cas9 là enzyme cắt DNA đầu tiên được sử dụng với CRISPRs. Hiện các enzyme cắt khác cũng đang được nghiên cứu với các mục tiêu khác nhau, bao gồm Cas13 và CPF1.
- Tái cấu trúc công nghệ sinh học, CRISPR sử dụng các “RNA dẫn đường” để chọn lọc một chuỗi DNA cụ thể.
Các RNA dẫn đường có trình tự tương ứng với các chuỗi mục tiêu trên virus sẽ thu hút enzyme cắt Cas9 (hoặc một loại enzyme cắt khác) đến vị trí mục tiêu, nơi các nhà nghiên cứu muốn can thiệp, giống như một mục tiêu giả. Kết hợp với sự giả dạng này là tính linh hoạt của công nghệ: RNA dẫn đường có thể được thiết kế để thêm, thay thế hoặc loại bỏ một chuỗi DNA cụ thể.
Các chiến lược điều trị bệnh hồng cầu hình lưỡi liềm là ví dụ minh họa cho sự sáng tạo của các nhà nghiên cứu và linh hoạt của công nghệ CRISPR. Chẳng hạn, trong một cách tiếp cận, các nhà nghiên cứu nuôi cấy các tế bào gốc vạn năng cảm ứng (iPS) từ nguyên bào sợi có trong da của bệnh nhân và sau đó sử dụng CRISPR-Cas9 để sửa một bản sao đột biến đơn cơ sở gây bệnh. Các tế bào hồng cầu được sản xuất từ các tế bào iPS được chỉnh sửa này tạo ra beta globin trưởng thành và không bị hình lưỡi liềm. Trong một cách tiếp cận khác, sử dụng các tế bào gốc tạo máu, các nhà nghiên cứu đã sử dụng CRISPR-Cas9 để cắt một đoạn nhỏ gen, BCL11A, có chức năng điều chỉnh sự chuyển đổi phân tử từ hemoglobin của bào thai sang người trưởng thành. Các tế bào hồng cầu được sản sinh sau đó tạo ra hemoglobin bào thai, phục hồi khả năng mang oxy của máu.
- Công nghệ chỉnh sửa gen CRISPR chính xác hơn khái niệm truyền thống về liệu pháp gen.
Liệu pháp gen là công nghệ về gen đi tiên phong trong thập niên 1990, nghiên cứu về các bản sao của các gen tự nhiên (gen chức năng) bị xóa hoặc bị đột biến trong một bệnh cụ thể bằng cách sử dụng các vectơ virus, liposome, hoặc trực tiếp thông qua công nghệ điện di (electroporation). Nhưng liệu pháp gen chỉ thêm gen, nó không thay thế gen như công nghệ CRISPR có thể làm.
CRISPR ban đầu được biết đến như nột liệu pháp gen bất ngờ phá vỡ gen ung thư gây ra bệnh bạch cầu ở trẻ em giúp điều trị thành công thiếu hụt miễn dịch di truyền được công bố năm 2002 đã gây tiếng vang lớn trong lĩnh vực này. Mặc dù công nghệ CRISPR cũng sử dụng một số vectơ virus tương tự như liệu pháp gen, nhưng phức hợp hình thành có khả năng nhắm mục tiêu tốt hơn. Trong liệu pháp gen truyền thống, các gen sử dụng được tích hợp vào một nhiễm sắc thể ngẫu nhiên hoặc tại bất kỳ một vị trí gắn kết nào hoặc được đặt trong một vòng DNA gọi là episome nằm bên ngoài các nhiễm sắc thể. Công nghệ CRISPR thay vào đó gửi gen sử dụng vào các RNA dẫn đường giúp vận chuyển tới vị trí chính xác trong bộ gen. Độ chính xác này là lý do tại sao công nghệ CRISPR được gọi là công nghệ “chỉnh sửa gen”.
- Bệnh nhân đừng tự thổi phồng các ứng dụng hiện tại của CRISPR.
Những thông tin gần đây trên các phương tiện truyền thông và mạng xã hội về công nghệ CRISPR có thể khiến bệnh nhân nghĩ rằng nền y khoa của chúng ta đang bước sang trang mới của một loạt các phương pháp chữa trị mới. Nhưng kiểm tra trên cơ sở dữ liệu hiện tại cho thấy vẫn còn hạn chế các thử nghiệm liên quan đến CRISPR, và một nửa trong số đó cần lấy mẫu các tế bào của bệnh nhân, can thiệp bên ngoài, sau đó mới chuyển quay lại cơ thể của họ.
Nhìn lại lịch sử, thử nghiệm lâm sàng đầu tiên cho liệu pháp gen truyền thống là vào năm 1990, nhưng sự chấp thuận đầu tiên của Cục quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) về liệu pháp gen cho voretigene neparvovec-rzyl để điều trị một dạng mù võng mạc tới tận tháng 12 năm 2017, tức gần 28 năm sau đó. Điều này cho thấy, công nghệ CRISPR cũng sẽ cần thời gian để được sử dụng rộng rãi, nhưng sự phấn khích và nhu cầu lớn có thể thúc đẩy tăng tốc các nghiên cứu và chấp thuận.
Hiện tại, các nghiên cứu tiền lâm sàng đang tiến triển đối với một số đột biến đơn gen, bao gồm: bệnh mù lòa bẩm sinh LCA (Leber Congenital Amaurosis), hội chứng điếc bẩm sinh Usher, bệnh thiếu máu thalassemia (tan máu bẩm sinh), bệnh loạn dưỡng cơ Duchenne, xơ nang (cystic fibrosis), bệnh amyloidosis di truyền do transthyretin amyloid, bệnh thiếu hụt men Alpha-1-Antitripsin, hội chứng tăng oxalat niệu type 1 nguyên phát, cũng phương pháp tiếp cận CAR-T chống lại ung thư.
- Các ứng dụng của công nghệ CRISPR sẽ vượt qua thuốc và có thể gây ra nhiều tranh cãi.
Công nghệ CRISPR khiến chúng ta nhớ về những nghiên cứu thời kỳ thập niên 80 về tái tổ hợp tương đồng và sửa chữa DNA. Nhưng dựa trên nền tảng công nghệ sinh học, CRISPR đã phát triển với tốc độ chóng mặt từ năm 2012. Các câu chuyện tiếp theo của CRISPR sẽ xung quanh các cuộc tranh chấp bằng sáng chế, tranh cãi về tiềm năng, thay đổi dòng di truyền, và lo ngại kiểm soát quá mức sâu bệnh đến điểm tuyệt chủng. Các báo cáo gần đây cung cấp một loạt các ứng dụng CRISPR đang được nghiên cứu bao gồm:
- Tạo “gen định hướng” để tiêu diệt muỗi mang ký sinh trùng sốt rét hoặc virus Zika
- Bất hoạt các chất gây ung thư hoặc kích hoạt các gen ức chế khối u ở các khối u rắn
- Thay thế một đột biến chi phối trong gen MYBPC3 gây ra bệnh cơ tim phì đại, từ quá trình thụ tinh
- Kỹ thuật enzyme Cas để phát ra tín hiệu huỳnh quang giúp chẩn đoán HPV, bệnh Zika và sốt xuất huyết.
Có thể thấy rằng công nghệ sửa chữa gen CRISPR đang ngày càng chứng tỏ tiềm năng ứng dụng mạnh mẽ của mình. Các nhà khoa học đang tiến hành việc nghiên cứu để sử dụng công nghệ này một cách thực sự hiệu quả trong lĩnh vực y học trong thời gian sớm nhất.
