כמעט שש שנים לא הייתי שותפה ישירה להתרחשויות בעולם המחקר במדעי החיים. עם חזרתי ל(מדעי ה)חיים, בחנתי מהו הנושא שהדיוו הגיעו עד לאוזני. ללא ספק אלו היו הגילויים וההתפתחויות המרעישות בעקבותיהם, של מערכת ה #CRISPR. מערכת ה CRISPR עוררה סערה בעולם המדעי, הנמצאת עדיין בעיצומה, וזכתה לכינוי (1) "CRISPR craze". היא מוגדרת על ידי רבים כ game changer בעולם המחקר הביולוגי ובפוטנציאל להגשמת חלום הריפוי הגנטי. המבוא להלן מבוסס על שני מאמרי סקירה (Review) מקיפים ונהירים (2,3).
השלב הראשון בסיפור (כבר בשנת 1987) היה חשיפת ואפיון של האתר הגנטי CRISPR, הנמצא בחיידקים ובארכאה רבים. האתר מכיל רצף של חזרות פלינדרומיות קצרות, Short Palindromic Repeats, SPR) ובניהן רצפים ייחודיים, שמקורם מרצפי חומצות גרעין של וירוסים ופלסמידים (וביחד (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR). בהתבסס על מאפיינים אלו הועלתה ההשערה המפתיעה, שהוכחה באופן מובהק ב 2007, שעל אף שחיידקים וארכאה הם חד-תאיים, יש להם מערכת חיסון אדפטיבית (מערכת חיסון שמכירה וזוכרת את התוקף). המרכיבים הנוספים ההכרחיים למערכת הם חלבוני (#CRISPR Associated Proteins (#CAS, המקודדים ע"י גנים הנמצאים בד"כ בסמיכות לרצף ה CRISPR, ומוציאים לפועל את התגובה החיסונית שסופה השמדת חומצת הגרעין של התוקף.
עבודות מחקר ממעבדות שונות שהמשיכו לחקור לעומק את מערכת ה CRISPR-Cas, העלו גילוי מפתיע נוסף והוא שהמטרה להכרה ותקיפה של המערכת הם רצפי DNA (ולא RNA). זאת יחד עם הקשרות קומפלקס ה CRISPR-Cas לרצפים ספציפיים בגנום ולחיתוך ה DNA במיקום מדוייק, איפשרו את הסבת המערכת לטכנולוגיה יעילה, מדוייקת ונפוצה ביותר ל"עריכת גנום" (#Genome_editing) לשימושים מחקריים ובתקווה ליישום עתידי בריפוי גנטי.
בתיאור כללי מערכת ה CRISPR-Cas פועלת בשלושה שלבים:
1. אדפטציה (Adaptation): החדרה של רצפי רוח (spacer) ייחודיים, שמקורם מגנום התוקף, לתוך האתר הגנטי CRISPR.
2. ביטוי (Expression): שיעתוק האתר הגנטי CRISPR ועיבוד תוצר הRNA לקבלת (CRISPR RNA (cRNA.
אחד השימושים הראשונים ב CRISPRs התבסס על ההטרוגניות של רצפי CRISPR באוכלוסיות שחוץ מזה הינן איזוגניות (זאת כתוצאה כמובן של החדרת הרצפים ייחודיים שונים, שמקורם בגנום חיצוני לפרטים באוכלוסיה) על מנת לאפיין אוכלוסיות חיידקים לדיאגנוזה ואפדימיולוגיה.
שימוש טכנולוגי מסקרן נעשה בתעשיית מוצרי החלב (ע"י חברת Danisco) לפיתוח תרביות חיידקים בעלי עמידות מוגברת לבאקטריופאג'ים.
אך השימוש המרכזי שנעשה הוא פיתוח כלים לעריכה גנומית הניתנים ליישום בתאים (ובעקבות כך ביצורים) אאוקריוטיים. פיתוח וייעול הכלים (הממשיך כמובן כל הזמן) כלל איחוד של שני מרכיבי crRNA, המשתתפים כמולקולות נפרדות במערכת הטבעית, למולקולה אחת של RNA מנחה (Single guide RNA (sgRNA). פיתוח נוסף הוא השימוש בחלבון Cas, שמייצר שבר בודד בשני גדילי ה DNA ולא פירוק מתמשך של המולקולה. מנגנוני תיקון ה DNA בתאים יכולים להיות מנוצלים לייצר שינויים ברצפי הגנים בשני אופנים: 1. שימוש בחיבור קצוות לא הומולוגיים (Non-Homologous End Joining) לחבר את שני הקצוות תוך החסרה של מספר בסיסים, היכול לגרום בתמורה לתזוזה של מסגרת הקריאה או פגיעה באלמנטים חיוניים בגן. 2. תיקון מונחה ע"י הומולוגיה של רצפים (Homology Directed Repair), המאפשר החסרה או החלפה מדוייקת ע"י רקומבינציה של אזור מטרה במחדר המכיל כל שינוי מתבקש.
אז למה "שגעת CRISPR"
1 . עצם הגילוי של מערכת חיסון אדפטיבית מורכבת בייצורים חד-תאיים
2 . פיתוח השימוש במערכת ככלי יעיל ואוניברסלי לעריכת שינויים מדוייקים בגנום.
המערכת נוסתה בהצלחה בכל הייצורים האאוקריוטים הנלמדים משמרים וצמחים ועד תאים הומניים.
מקורות:
1) Pennisi, E. (2013). The CRISPR Craze. Science, 341(6148), 833-836. doi:10.1126/science.341.6148.833
2) Rath, D., Amlinger, L., Rath, A., & Lundgren, M. (2015). The CRISPR-Cas immune system: Biology, mechanisms and applications. Biochimie, 117, 119-128. doi:10.1016/j.biochi.2015.03.025
3) Morange, M. (2015). What history tells us XXXIX. CRISPR-Cas: From a prokaryotic immune system to a universal genome editing tool. Journal of Biosciences, 40(5), 829832. doi:10.1007/s12038-015-9575-8
Comments