Sử dụng retrons để chỉnh sửa bộ gen hiệu quả hơn

Retrons, nhóm báo cáo trên tạp chí Nature Chemical Biology, có thể được tối ưu hóa về hiệu quả và được sử dụng để chỉnh sửa gen trong nhiều loại tế bào, từ nấm đến tế bào người.

 

"Công trình này thực sự củng cố các chế phẩm trang bị thêm như một nền tảng có thể được sử dụng trên các sinh vật", Trợ lý Điều tra viên Gladstone Seth Shipman, tiến sĩ, tác giả cao cấp của nghiên cứu mới cho biết. "Chúng ta có thể thực hiện những thay đổi chính xác đối với gen dễ dàng, nhanh chóng và hiệu quả hơn so với các phương pháp tiếp cận hiện tại."

 

Cửa hàng một cửa để chỉnh sửa gen

 

Hầu hết các công nghệ chỉnh sửa gen hiện tại dựa trên hệ thống CRISPR liên quan đến việc cắt một phần DNA ra khỏi bộ gen của tế bào, và sau đó giới thiệu vật liệu di truyền mới gọi là "DNA mẫu" để thay thế nó. Khi tế bào sửa chữa những nơi mà một gen hiện có đã bị cắt, DNA mẫu được tích hợp.

 

DNA mẫu đó thường được sản xuất trong phòng thí nghiệm và sau đó được đưa đến các tế bào từ bên ngoài. Protein cắt bộ gen của tế bào - được gọi là Cas9 - được phân phối riêng biệt. Cả Cas9 và DNA mẫu đều không xâm nhập vào mọi tế bào, hạn chế hiệu quả của chỉnh sửa gen CRISPR.

 

Retrons, tuy nhiên, hoạt động như các nhà máy DNA, tạo ra các bản sao phong phú của DNA mẫu từ bên trong tế bào. Hơn nữa, retrons có thể được phân phối cùng với phần còn lại của các thành phần CRISPR để các tế bào có được tất cả các vật liệu cần thiết để chỉnh sửa gen cùng một lúc - mã di truyền cho DNA mẫu, Cas9 và các phân tử giúp các nhà nghiên cứu theo dõi các chỉnh sửa đã được thực hiện.

 

"Điều này có nghĩa là chúng ta chỉ phải giới thiệu một yếu tố cho mỗi tế bào", Santiago Lopez, một sinh viên tốt nghiệp tại Phòng thí nghiệm Shipman và là tác giả đầu tiên của bài báo mới cho biết. "Điều đó đơn giản hóa đáng kể quá trình và mở ra cánh cửa cho các loại thí nghiệm mới."

 

Shipman (trái) và Lopez (phải) thiết kế một hệ thống retron mới giúp tăng hiệu quả chỉnh sửa gen.

 

Re-Engineering Retrons

 

Cả retrons và CRISPR đều có nguồn gốc từ vi khuẩn; cả hai đều là cơ chế phòng thủ mà vi khuẩn sử dụng để thay đổi DNA để đáp ứng với nhiễm trùng. Sau sự ra đời của chỉnh sửa bộ gen CRISPR, trong đó hệ thống CRISPR được đồng chọn để nhắm mục tiêu có chọn lọc các gen trong các loại tế bào khác, một số nhà nghiên cứu bắt đầu thăm dò liệu retrons có thể được sử dụng để cung cấp các mẫu để chỉnh sửa gen chính xác hay không. Tuy nhiên, vai trò của các phần khác nhau của cấu trúc retron trong chức năng của nó - và làm thế nào để tinh chỉnh các phần đó để cải thiện retrons - đã được biết.

 

"Hệ thống retron đã phát triển để giúp bảo vệ vi khuẩn", Shipman, cũng là trợ lý giáo sư về kỹ thuật sinh học và khoa học trị liệu tại UC San Francisco (UCSF) cho biết. "Nhưng chúng tôi muốn thay đổi nó từ những gì nó làm bình thường sang những gì chúng tôi muốn nó làm - tạo ra các mẫu để chỉnh sửa gen."

 

Trong nghiên cứu mới, nhóm của Shipman đã thiết kế thêm E. coli để tạo ra hàng trăm biến thể mới. Họ đã thử nghiệm từng biến thể mới và phát hiện ra một loạt các thay đổi, cùng nhau, dẫn đến sự gia tăng gấp 8 đến 10 lần trong số lượng DNA mẫu cuối cùng được tạo ra bởi retron trong các tế bào E. coli.

 

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm hệ thống retron được tái thiết kế mới trong nấm Saccharomyces cerevisiae (men Baker) và trong các tế bào người nuôi cấy, và họ thấy rằng hệ thống tối ưu hóa này hoạt động trong mọi trường hợp. Đây là minh chứng đầu tiên về việc sử dụng retrons trong tế bào người và tính di động của chúng trên các loại tế bào.

 

Shipman (trái) và Lopez (phải) đã phát triển một công cụ nghiên cứu hữu ích để chỉnh sửa gen trong các loại tế bào khác nhau trong phòng thí nghiệm.

 

Vì nhóm nghiên cứu bây giờ có thể tinh chỉnh chính xác bao nhiêu DNA mẫu mà các retrons tạo ra, họ cũng có thể cho thấy rằng khi các retrons tạo ra mức độ DNA mẫu cao, điều này làm tăng hiệu quả chỉnh sửa gen.

 

"Nghiên cứu của chúng tôi lần đầu tiên chứng minh rằng DNA càng có nhiều mẫu chúng ta có thể sản xuất, việc chỉnh sửa bộ gen càng tốt", Shipman nói. "Chỉnh sửa tốt hơn và chính xác hơn cuối cùng có nghĩa là các loại thuốc gen hiệu quả và an toàn hơn và nghiên cứu cơ bản tiên tiến hơn."

 

Lấy dụng cụ từ vi khuẩn

 

Retrons, Shipman nói, ngay lập tức hữu ích như một công cụ nghiên cứu để chỉnh sửa gen trong các loại tế bào khác nhau trong phòng thí nghiệm. Mặc dù nền tảng này chưa sẵn sàng để sử dụng ở người, nhưng nó cũng có tiềm năng giúp chỉnh sửa gen cho mục đích điều trị - ví dụ bằng cách sửa chữa các đột biến gen gây bệnh.

 

Vì các vi khuẩn khác nhau chứa các retron khác nhau, nhóm của ông cũng có kế hoạch khám phá liệu các biến thể retron khác có lợi ích hơn E. coli retron mà chúng tối ưu hóa trong nghiên cứu này hay không.

 

"Chúng tôi đang thực hiện một cách tiếp cận chung, trong đó chúng tôi đang khai thác các bộ phận mà chúng tôi tìm thấy trong vi khuẩn và thuần hóa chúng để sử dụng cho riêng chúng tôi", Shipman nói. "Điều này đã vô cùng hiệu quả để phát triển các công cụ mới, nhưng tôi nghĩ chúng ta chỉ mới bắt đầu gặt hái những lợi ích của việc áp dụng các công cụ này trong công nghệ sinh học."

 

Reference: Lopez SC, Crawford KD, Lear SK, Bhattarai-Kline S, Shipman SL. Precise genome editing across kingdoms of life using retron-derived DNA. Nat Chem Bio. 2021. doi: 10.1038/s41589-021-00927-y.

Published: January 6, 2022