Theo: Heidi Ledford (2022) CRISPR tools found in thousands of viruses could boost gene editing
doi: https://doi.org/10.1038/d41586-022-03837-8
Ngày đăng: 23/11/2022
Vui lòng ghi rõ nguồn https://cnsh.vnua.edu.vn/ khi đăng lại nội dung này.
Các thể thực khuẩn có thể đã lấy các hệ thống cắt DNA từ các vật chủ vi khuẩn và sử dụng chúng để chống lại các loại virus khác.
    |
 |
| Các thể thực khuẩn (được thấy ở đây đang tấn công một tế bào vi khuẩn) có thể sử dụng các hệ thống CRISPR–Cas để cạnh tranh với nhau — hoặc để điều khiển hoạt động của gen trong vật chủ của chúng. Nguồn: Biophoto Associates/SPL |
Qua việc dò tìm một cách hệ thống các bộ gen virus đã phát hiện ra rất nhiều công cụ chỉnh sử gen tiềm năng dựa trên CRISPR.
Các hệ thống CRISPR–Cas rất phổ biến trong thế giới vi sinh vật của vi khuẩn và vi khuẩn cổ, nơi chúng thường giúp các tế bào chống lại virus. Nhưng một bản phân tích [1] được công bố vào ngày 23/11 trên tạp chí Cell đã tìm thấy các hệ thống CRISPR–Cas trong 0,4% trình tự bộ gen công bố công khai từ các virus có thể lây nhiễm các vi khuẩn này. Các nhà nghiên cứu cho rằng virus sử dụng CRISPR–Cas để cạnh tranh với nhau — và có khả năng điều khiển hoạt động gen trong vật chủ của chúng để mang lại lợi ích cho chúng.
Một số hệ thống virus này có khả năng chỉnh sửa bộ gen của thực vật và động vật có vú, đồng thời mang các đặc điểm — chẳng hạn như cấu trúc nhỏ gọn và khả năng chỉnh sửa hiệu quả — có thể khiến chúng trở nên hữu ích trong phòng thí nghiệm.
“Đây là một bước tiến quan trọng trong việc khám phá ra tính đa dạng cao của các hệ thống CRISPR–Cas,” nhà sinh vật học tính toán Kira Makarova tại Trung tâm Thông tin Công nghệ Sinh học Quốc gia Hoa Kỳ ở Bethesda, Maryland cho biết. “Có rất nhiều điều mới lạ được phát hiện ở đây.”
Bảo vệ cắt DNA
Mặc dù được biết đến nhiều nhất như một công cụ được sử dụng để biến đổi bộ gen trong phòng thí nghiệm, CRISPR–Cas có thể hoạt động trong tự nhiên như một hệ thống miễn dịch sơ khai. Khoảng 40% mẫu vi khuẩn và 85% mẫu vi khuẩn cổ sở hữu hệ thống CRISPR–Cas. Thông thường, những vi khuẩn này có thể thu nạp các các đoạn gen của virus xâm nhập và lưu trữ các trình tự này trong một vùng thuộc bộ gen của chúng, được gọi là đoạn CRISPR. Sau đó, các đoạn CRISPR trở thành khuôn mẫu để tạo ra các RNA có vai trò định hướng các enzyme (Cas) liên kết với CRISPR và cắt DNA tương ứng. Điều này giúp các vi khuẩn mang đoạn CRISPR có thể cắt nhỏ bộ gen của virus và có khả năng ngăn chặn sự lây nhiễm của virus.
Đôi khi virus lấy các đoạn mã trong bộ gen của vật chủ, bởi các nhà nghiên cứu trước đó đã tìm thấy nhiều mẫu riêng rẽ về CRISPR–Cas trong bộ gen của virus. Nếu những đoạn DNA bị lấy đó mang lại lợi thế cạnh tranh cho virus, thì chúng có thể được giữ lại và dần dần sửa đổi để phục vụ cho cách hoạt động của virus một cách tốt hơn. Ví dụ: một loại virus lây nhiễm vi khuẩn Vibrio cholera đã sử dụng CRISPR–Cas để cắt và vô hiệu hóa DNA trong vi khuẩn có chức năng mã hóa các yếu tố phòng vệ chống virus[2].
Các nhà nghiên cứu Jennifer Doudna, Jillian Banfield và đồng nghiệp tại Đại học California, Berkeley trong một cuộc khảo sát toàn diện để tìm các hệ thống CRISPR–Cas ở thực khuẩn đã tìm ra khoảng 6.000 loài chứa đầy đủ tất cả các hệ thống CRISPR–Cas. Nhóm đã tìm thấy một loạt các biến thể trên cấu trúc CRISPR–Cas thông thường, một vài trong số đó thiếu một số thành phần và một số khác mang kích thước nhỏ bất thường. Anne Chevallereau, người nghiên cứu hệ sinh thái và tiến hóa của thể thực khuẩn tại Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp ở Paris, cho biết: “Ngay cả khi các hệ thống CRISPR–Cas mã hóa bằng thể thực khuẩn rất hiếm, chúng cũng rất đa dạng và phân bố rộng rãi. Thiên nhiên luôn ẩn chứa đầy những bất ngờ.”
Nhỏ nhưng hiệu quả
Bộ gen của virus thường nhỏ gọn và một số enzyme Cas của virus cũng có kích thước rất nhỏ. Điều này có thể mang lại một lợi thế đặc biệt trong việc ứng dụng vào chỉnh sửa bộ gen, bởi vì các enzyme càng nhỏ sẽ càng dễ đưa vào tế bào hơn. Doudna và các đồng nghiệp của cô ấy đã tập trung vào một cụm enzyme Cas nhỏ cụ thể có tên là Casλ và phát hiện ra rằng một số trong số chúng có thể được sử dụng để chỉnh sửa bộ gen của các tế bào được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm từ cải xoong thale (Arabidopsis thaliana) và lúa mì, cũng như tế bào thận của con người.
Kết quả cho thấy các enzyme Cas của virus có thể được thêm vào bộ sưu tập các công cụ chỉnh sửa gen được phát hiện ở vi khuẩn đang ngày càng gia tăng. Doudna cho biết, mặc dù các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra các enzyme Cas nhỏ khác trong tự nhiên, nhưng nhiều loại trong số đó cho đến nay vẫn tương đối kém hiệu quả khi đưa vào ứng dụng trong chỉnh sửa bộ gen. Ngược lại, một số enzyme Casλ của virus có thể kết hợp xuất sắc giữa kích thước nhỏ và hiệu quả cao.
Trong khi đó, các nhà nghiên cứu sẽ tiếp tục tìm kiếm thêm vi khuẩn để cải thiện tiềm năng cho các hệ thống CRISPR–Cas đã biết. Makarova dự đoán rằng các nhà khoa học cũng sẽ tìm kiếm các hệ thống CRISPR–Cas đã được các plasmid tiếp nhận — các đoạn DNA có thể được chuyển từ vi khuẩn này sang vi khuẩn khác.
Người dịch: Trần Khánh Linh - K65CNSHE
Biên tập: Nguyễn Văn Khoa - K64CNSHE
Tài liệu tham khảo
1. Al-Shayeb, B. et al. Cell https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.10.020 (2022).
2. Seed, K.D., Lazinski, D.W., Calderwood, S.B. & Camilli, A. Nature 494, 489–491 (2013).