עוד על קריספר - מתן ארבל

מה השיטות הקיימות להנדסה גנטית מדויקת שיש להם סיכוי לשמש תפקיד קליני (או כבר משמשות!) בבני אדם ולמה השיטה החדשה שפורסמה לפני כמה ימים היא באמת רעידת אדמה. השיטה הראשונה, היא הנדסה בעזרת קריספר (Crispr). קריספר זה שם גנרי לכמה וכמה חלבונים שונים שבמקורם הם מערכות הגנה של חיידקים נגד נגיפים של חיידקים (בקטריופאגים). אחרי שחיידקים הודבקו כבר פעם אחת בנגיף, הם שומרים מקטע מה-DNA של הנגיף בגנום שלהם, בצמוד לאזור המקודד לקריספר. אותו מקטע מתורגם ל-RNA ומשמש כ'מדריך' שמכוון את הקריספר ל-DNA של הנגיף וחותך אותו וזה בעצם מקנה הגנה לחיידקים מהנגיפים. 

וזה כל מה שקריספר עושה. שובר את שני הגדילים של ה-DNA. למה זה יכול לייצור מוטציות? כי אחרי השבר הדו-גדילי התא חייב לתקן את ה-DNA. כל פעם שהוא יתקן את ה-DNA למה שהוא היה לפני, הקריספר יזהה שוב את המקטע ויחתוך ויצטרכו לתקן שוב עד שתווצר מוטציה. לא מוטציה שאנחנו שולטים בה, אבל מוטציה. זה טוב אם אני רוצה לגרום להפסיק לעבוד. 

דוגמא טובה זה תרופה שמאושרת על ידי הFDA כבר לטיפול באנמיה חרמשית שבה בעזרת קריספר 'דופקים' גן ש'מכבה' גרסא של תאי דם אדומים שקיימים בעובר אבל לא קיימים באדם בוגר. אבל זה כאמור לא אומר פשוט להכניס קריספר לבנאדם, כי לא תמיד תקרה מוטציה ולא תמיד תקרה המוטציה הנכונה. אז מה עושים? במקרה הספצפי של אנמיה חרמשית, מוציאים תאי גזע מהחולים, עושים את פרוטוקול הקריספר עליו במעבדה ואז בודקים את התאים אחד אחד עד שמוצאים תא שקיבל את המוטציה הנכונה. אז עושים טיפולי כמותרפיה (מאוד לא נעימים, אבל פחות מכמה שאנמיה חרמשית לא נעימה) כדי להרוג את כל תאי הגזע ולאפשר להשתיל את התאי גזע המהונדסים. ברור למה זה לא פתרון אדיאלי. 

האופציה השנייה והמתקדמת יותר, נקראת Prime editing. אפשר לעשות מוטציה לקריספר שהוא לא יעשה שבר דו-גדילי, אלא שבר חד-גדילי. פה לא נגמר התחכום, אפשר לחבר לקריספר, ממש ברמת ה-DNA, עוד חלבון, לדוגמא חלבון שיודע לתרגם RNA ל-DNA. למה זה טוב? כי אז את ה-RNA ששימש כדי להכווין את הקריספר יכול גם לשמש במקור מידע למקטע DNA חדש (אבל יחסית קצר) שאפשר להוסיף לגנום. זה כבר מוטציות מדויקות. נכון להיום, התחילו כבר ניסויים קליניים (ממש ב-2024) עם הטכנולוגיה הזאת. 

זה גם כמובן לא הגבול, אפשר בעזרת אותם עקרונות לחבר עוד חלבונים לקריספר כדי לשפר את היעילות, הדיוק והמסוגלות של ההנדסה. בגדול, השמיים הם הגבול. משתמשים בקריספר כדי להביא את הקומפלקס למקום מסוים ואז אפשר לעשות שלל דברים שונים. כמה אפשר להביא כמה מהם לאותו מקום כדי לבצע משימות מורכבות יותר, נגיד מחיקה או הוספה של מקטע גדול. אבל כמובן שהסבירות שדבר כזה יעבוד הוא מכפלת הסיכויים (בגדול) ומוסיף עוד המון מורכבות. 

טכנולוגיה מעניינת במיוחד בהקשר של עריכה גנטית היא אלמנטים גנטיים אנוכיים ניידים (MGE). אלו מקטעי DNA קצרים יחסים שמקודדים בתוכם את הדרך להעתיק את עצמם למקומות אחרים בגנום. זה יכול להיות copy paste או cut paste והשיטות השונות שהם עושים את הדילוג מאוד מגוונות ומעניינות. אפשר לחשוב עליהם כנגיף, אבל שמקפץ רק בתוך הגנום ולא עוזב את האורגניזם. אנחנו משתמשים באלמנטים ניידים כאלו כבר לא מעט שנים בשביל מחקר. הניידות של אלמנטים כאלו נעה בין ספציפית לרצף מסוים (נגיד cre-loxp), לסמי-רנדומלית. עם מערכת ספציפית ניתן לבצע שינויים די גדולים בגנום, אבל זה מצריך כמה דורות של עבודה עם האורגניזם. קודם להכניס את המקטעי LoxP משני הצדדים של האזור שרוצים להחליף/להוסיך אליו ורק אחרי זה להחליף. 

ככה מכינים היום את רוב העכברים עם מחיקות או מוטציות מסובכות בגנום. זה תהליך ארוך ויקר. המערכות הסמי-רנדומלית יעילות במחקר. כשרוצים להבין מה מקודד תכונה מסוימת. נגיד הצבע של אבטיח. בהנחה וזה גן בודד (וזה בטוח לא בדוגמא) אם נכניס אלמנט רנדומלי כזה, אם נבדוק מספיק אבטיחים, אולי נמצא אחד עם צבע אחר ואז נוכל לרצף ולהבין איפה אותו אלמנט נכנס. אבל במאמר שהתפרסם לפני כמה שבועות אפיינו את הדרך שבה אלמנט גנטי נייד כזה נכנס לגנום בצורה שהיא ספציפית לרצף, והוא עושה את זה באמצעות מולקולת RNA שהוא מייצר בעצמו, כדי להיקשר לאזור מסוים. אותו אלמנט גנטי, שנמצא בסוגים שונים של מיקרואורגניזמים יושב ב-DNA עד שהוא חותך את עצמו החוצה ויוצר מעצמו עיגול קטן. מאותו עיגול קטן מתורגמת מולקולת RNA, שנקשרת למקום ספציפי בגנום (לא באיור) ביחד עם האנזים שמקודד על ידי אותו אלמנט גנטי שמאפשר את ההחדרה למקום החדש וביחד עם המקטע DNA, עד שה-DNA נכנס למקום החדרה. 

מצרף איור של מאמר אחר שניסו לבנות כזו בצורה מלאכותית עם קריספר (12). במאמר המתואר זה לא מערכת מלאכותית ש'הודבקה' אלא המערכת הטבעית של האלמנט הנייד. מה שהופך את הכל ליותר פשוט. החוקרים גם הראו שאפשר לערוך את הקצוות של אותו אלמנט כדי לשלוט לאיפה הוא יקשר ולאין הוא יכנס וגם כמובן לשלוט במקטע DNA באמצע שיכנס בסוף.

בעיני? זה סופר מגניב וקפיצת דרך משמעותית בדרך להנדסה גנטית הרבה יותר יעילה, מהירה וקלה במעבדה. כמה שנים עד שזה יגיע לקליני (אם בכלל)? כנראה לא מעט. 

למאמר

מתן ארבל הוא פוסט-דוקטורנט ב-NIH, חוקר אפיגנטיקה בסרטן הערמונית, ומנגיש מדע בזמנו הפנוי.

פורסם במקור בטוויטר של המחבר, יולי 2024