فك تشفير بنية نظام CRISPR القائم على الحمض النووي الريبي

فك تشفير بنية نظام CRISPR القائم على الحمض النووي الريبي

كشف باحثو معهد سالك عن تفاصيل جزيئية لأداة هندسة وراثية جديدة

LA JOLLA — على مدار السنوات العديدة الماضية ، انتقلت تقنية CRISPR-Cas9 إلى ما وراء مقاعد المختبر إلى روح العصر العام. تبشر أداة تعديل الجينات هذه بتصحيح العيوب داخل الخلايا الفردية وربما التئام أو منع العديد من الأمراض البشرية. لكن نظام Cas9 يغير الحمض النووي ، وليس الحمض النووي الريبي ، ويعتقد بعض الخبراء أن القدرة على تعديل الحمض النووي الريبي قد تثبت في النهاية نفس الفائدة.

الآن يقوم علماء من معهد Salk بالإبلاغ لأول مرة عن التركيب الجزيئي المفصل لـ CRISPR-Cas13d ، وهو إنزيم واعد لتقنية تحرير الحمض النووي الريبي الناشئة. لقد تمكنوا من تصور الإنزيم بفضل الفحص المجهري الإلكتروني بالتبريد (cryo-EM) ، وهي تقنية متطورة تمكن الباحثين من التقاط بنية الجزيئات المعقدة بتفاصيل غير مسبوقة. تم الإبلاغ عن النتائج في 20 سبتمبر 2018 ، في المجلة الموبايل .

يقول أستاذ مساعد Salk: "تقدم هذه الورقة مخططًا جزيئيًا للهندسة الوراثية التي تستهدف الحمض النووي الريبي" ديمتري ليومكيس، وهو عالم أحياء بنيوية وأحد مؤلفي الدراسة. "إنه يضيف إلى اتساع الأدوات اللازمة لإجراء هذا النوع من البحوث الطبية الحيوية الحاسمة."

المشتقة من الجينات الموجودة أصلاً في البكتيريا ، وُصفت كريسبر بأنها "مقص جزيئي" أو "برنامج معالجة كلمات للخلايا الحية". يستبدل جزء واحد من الشفرة الجينية بآخر. في نظام CRISPR-Cas9 ، Cas9 هو الإنزيم الذي يقطع الحمض النووي. ومع ذلك ، فإن امتلاك أدوات تحرير لـ RNA سيسمح للعلماء بتعديل نشاط الجين دون إجراء تغيير دائم - وربما خطير - على الجين نفسه.

"الحمض النووي ثابت ، ولكن ما يتغير دائمًا هو رسائل الحمض النووي الريبي المنسوخة من الحمض النووي" ، كما تقول سيلفانا كونرمان ، الزميلة البحثية في سالك ، وزميلة هانا جراي في معهد هوارد هيوز الطبي وأحد مؤلفي الدراسة الأوائل. "القدرة على تعديل تلك الرسائل من خلال التحكم المباشر في الحمض النووي الريبي لها آثار مهمة للتأثير على مصير الخلية."

في وقت سابق من هذا العام ، Konermann و باتريك هسو ، زميل هيلمسلي سالك نشرت ورقة أخرى في الموبايل اكتشاف عائلة الإنزيمات المسماة CRISPR-Cas13d والإبلاغ عن أن نظام CRISPR البديل هذا كان فعالًا في التعرف على الحمض النووي الريبي وقطعه. أظهر الفريق أيضًا أن هذه الأداة يمكن استخدامها لتصحيح اختلال البروتين المسبب للمرض في خلايا شخص مصاب بالخرف.

الدراسة الجديدة ، وهي عبارة عن تعاون بين مختبرات Lyumkis و Hsu ، مبنية على اكتشاف عائلة Cas13d وتوفر التفاصيل الجزيئية التي تشرح كيفية عملها.

يقول هسو ، وهو المؤلف المقابل الآخر للعمل الجديد: "في ورقتنا السابقة ، اكتشفنا عائلة كريسبر جديدة يمكن استخدامها لهندسة الحمض النووي الريبي مباشرة داخل الخلايا البشرية". "الآن وقد تمكنا من تصور بنية Cas13d ، يمكننا أن نرى بمزيد من التفصيل كيف يتم توجيه الإنزيم إلى RNA وكيف يمكنه قطع الحمض النووي الريبي. تسمح لنا هذه الأفكار بتحسين النظام وجعل العملية أكثر فعالية ، مما يمهد الطريق لاستراتيجيات جديدة لعلاج الأمراض القائمة على الحمض النووي الريبي. "

استخدم الفريق cryo-EM للكشف عن تفاصيل جديدة في Cas13d عن طريق تجميد الإنزيم في حالات ديناميكية مختلفة ، مما يسمح للباحثين بفك تشفير مجموعة من الأنشطة بدلاً من رؤية نشاط واحد فقط في وقت واحد.

يقول تشينج زانج ، باحث مشارك في مختبر ليومكيس والمؤلف الأول الآخر للورقة: "لقد مكننا هذا من رؤية كيف يوجه Cas13d ويربط ويستهدف الحمض النووي الريبي". "نأمل أن تساعد هذه المعرفة الجديدة في توسيع قوة أدوات تعديل الجينات."

المؤلفان الآخران للورقة هما نيكولاس ج. بريدو وبيتر لطفي من سالك. Xuebing Wu من معهد وايتهيد للبحوث الطبية الحيوية ؛ وسكوت ج. نوفيك ، وتيموثي ستروزينبيرج ، وباتريك آر جريفين من معهد سكريبس للأبحاث.

تم دعم هذا العمل من قبل معهد هوارد هيوز الطبي زمالة هانا هـ. جراي ؛ زمالة مؤسسة هيلين هاي ويتني ؛ تمنح المعاهد الوطنية للصحة NIH-NCI CCSG P30 014195 و DP5 OD021369 و DP5 OD021396 و U54GM103368 ؛ وصندوق هيلمسلي الخيري.