Công cụ chỉnh sửa gen mới điều chỉnh các đột biến trong DNA ty thể

Trong công cuộc sáng tạo của kỹ thuật phân tử, lần đầu tiên các nhà khoa học đã phát triển một công cụ chỉnh sửa gen có khả năng thay đổi cặp gen cơ sở mục tiêu trong DNA ty thể. Cặp gen mới, có nguồn gốc từ một loại độc tố vi khuẩn, cho phép các nhà khoa học nghiên cứu tốt hơn các bệnh về ty thể trước các phương pháp điều trị có thể có trong tương lai.

Trong khi các công cụ chỉnh sửa bộ gen như CRISPR có thể dễ dàng xâm nhập vào nhân của một tế bào, thì ty thể bị cuốn vào màng, khiến chúng không thể tiếp cận được với các phân tử CRISPR phức tạp. Các công cụ khác như TALEN và ZFN trước đây đã được đưa vào ty thể của tế bào thực vật và động vật, nhưng STAT báo cáo rằng, những công cụ ban đầu này chỉ có thể cắt bỏ và loại bỏ DNA bị đột biến, không sửa nó với độ chính xác như mục tiêu. Do khó khăn trong việc viết lại DNA ty thể, các nhà khoa học đã phải vật lộn để tạo ra các mô hình động vật có các bệnh về ty thể cùng với các đột biến để nghiên cứu chúng một cách chi tiết.

“Chúng tôi đã tìm kiếm một công nghệ như thế này trong một thời gian rất dài”, Fyodor Urnov, nhà sinh vật học tại Viện Phát triển Genomics nói với STAT. “Chúng tôi đã có thể tạo đột biến trong DNA hạt nhân của con người trong 15 năm, nhưng ty thể đã chống lại điều đó một cách dữ dội, gây ra sự thất vọng lớn cho mọi người. Với công nghệ này, nghiên cứu về ty thể sẽ bước vào thời kỳ hoàng kim.”

Bệnh ty thể thường bắt đầu có biểu hiện từ khi sinh ra. Bệnh ty thể phổ biến nhất là bệnh cơ và não do bất thương ty thể (MELAS), gây ra các cơn động kinh lặp đi lặp lại ở trẻ nhỏ và có thể xuất phát từ một thay đổi nucleotide trong gen MT-TL1 làm chậm quá trình sản xuất protein. Một bệnh khác của ty thể, hội chứng suy giảm DNA ty thể (MDDS), tấn công các cơ và não do hậu quả của đột biến đơn trên nhiều gen.

David Liu, một nhà sinh hóa học tại Viện Broad, đồng tác giả của bài nghiên cứu, đã làm việc để phát triển các công cụ chỉnh sửa gen được gọi là “Base editor” có khả năng hoán đổi một cặp nucleotide cho một cặp khác.

Ngoài ra, Joseph Mougous, một nhà sinh vật học tại Đại học Washington, đang nghiên cứu các loại vi khuẩn sử dụng để chiến đấu với nhau. Anh nói với STAT rằng, Marcos de Moraes phân lập được một loại độc tố do vi khuẩn Burkholderia cenocepacia tiết ra để xâm nhập và tiêu diệt các chủng cạnh tranh khác. Khi nhắm mục tiêu vào một số khu vực nhất định dọc theo DNA của vi khuẩn, các enzyme độc ​​hại đã thúc đẩy chuyển đổi từ C thành T, khiến cho DNA bị suy giảm.

Mougous đã tìm đến Liu để hỏi liệu độc tố vi khuẩn này có thể được sử dụng làm “Base editor” hay không. Các công cụ CRISPR tiên phong của Liu chỉ hoạt động trên các chuỗi DNA đơn, dựa vào enzyme Cas9 để tách DNA thành hai chuỗi đơn để các enzyme hoạt động. Nhưng phương pháp mới có thể tạo ra các thay đổi nucleotide trực tiếp trên DNA kép và bởi vì nó không dựa vào một chuỗi RNA phức tạp để điều khiển enzyme Cas9, nên nó có thể truyền vào ty thể.

Mặc dù nghe có vẻ đầy hứa hẹn trên lý thuyết, Mougous vẫn đề nghị họ tiêm độc tố vào tế bào, trong trường hợp xấu nhất, enzyme này có thể gây tổn thương nghiêm trọng. Liu hỏi anh ta làm thế nào để có thể “thuần hóa” nó. Một sinh viên tốt nghiệp tại phòng thí nghiệm của Liu, Beverly Mok, đã nảy ra ý tưởng tách enzyme thành hai phần không phản ứng và gắn chúng vào các protein liên kết đặc biệt với vị trí đích trong bộ gen của ty thể. Khi cả hai mảnh có mặt, chúng có thể được nối lại, bắt đầu quá trình hồi phục.

Trong các nghiên cứu sử dụng tế bào người, công cụ này đã hồi phục hiệu quả từ 20% - 40% mục tiêu sau ba đến sáu ngày, báo cáo từ STAT. Và trong khi phương pháp chia đôi enzyme của Mok dường như đang trong tầm kiểm soát, nhưng đã có một số chỉnh sửa nằm ngoài mục tiêu. Tuy nhiên, những phát hiện này có khả năng đẩy nghiên cứu ty thể vào một giai đoạn mới.

Có thể sẽ mất nhiều năm, thậm chí hàng thập kỷ, trước khi bất kỳ ai có thể được điều trị bằng liệu pháp dựa trên phương pháp mới. Ngay cả khi đó, các bác sĩ sẽ cần sớm phát hiện bệnh ở trẻ em để giảm thiểu tổn thương cho não và cơ bắp.

Trong thời gian ngắn, Michal Minczuk, một nhà di truyền học ty thể tại Đại học Cambridge cho rằng, chất độc này có thể giúp tạo ra các mô hình động vật cho phép các nhà khoa học nghiên cứu các bất thường của ty thể một cách chi tiết hơn. “Chúng tôi có thể giải quyết vấn đề này, và nó sẽ là một bước tiến tuyệt vời”, ông nói.

Hoàng Nam dịch

Theo The Scientist