CRISPR là viết tắt của “Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats” nghĩa là cụm DNA palindromes ngắn được lặp lại thường xuyên, (các nucleotide được sắp xếp theo trình tự mà khi đọc theo một trong hai hướng xuôi-ngược đều giống nhau) xen kẽ với các “spacer” (khoảng đệm) ngắn, không lặp lại. Kỹ thuật CRISPR được phát triển vào năm 2012, nhưng đến năm 2015 công nghệ mới này mới phát huy hiệu quả và bắt đầu biến đổi nền khoa học, đồng thời châm ngòi cho cuộc tranh luận công khai, làm cho nó trở thành tiến bộ khoa học xuất sắc nhất năm vừa qua. Vậy công nghệ này hoạt động như thế nào và tiềm năng của nó trong các liệu pháp biến đổi gen là gì? Có năm điều mà chúng ta nên biết về CRISPR.

1. CRISPR lấy ý tưởng từ cơ chế axit nucleic mà vi khuẩn sử dụng để nhận biết và loại bỏ virus khỏi gen của chúng.

CRISPR ban đầu được phát hiện trong vi khuẩn và cổ khuẩn (vi sinh vật đơn bào nhân sơ), khi các đoạn DNA bản sao được phát hiện sau khi bị virus tấn công. Các spacer được phiên mã vào các CRISPR-RNA ngắn (đóng vai trò nhận diện và dẫn đường) và kết hợp với các enzyme cắt Cas9 (CRISPR-protein 9). Sau đó, phức hệ CRISPR-Cas9 tìm kiếm DNA mục tiêu phù hợp với các trình tự spacer và enzyme cắt Cas9 cắt chúng ra bằng cách phá vỡ xoắn kép trên cả hai sợi. Bằng cách này, một cơ chế tự miễn được tế bào vi khuẩn hình thành, giúp tế bào vi khuẩn có thể nhận ra các DNA của virus và nhanh chóng loại bỏ chúng, giống như hệ miễn dịch của động vật. Cas9 là enzyme cắt DNA đầu tiên được sử dụng với CRISPRs. Hiện các enzyme cắt khác cũng đang được nghiên cứu với các mục tiêu khác nhau, bao gồm Cas13 và CPF1.

2. Tái cấu trúc công nghệ sinh học, CRISPR sử dụng các “RNA dẫn đường” để chọn lọc một chuỗi DNA cụ thể.

Các RNA dẫn đường có trình tự tương ứng với các chuỗi mục tiêu trên virus sẽ thu hút enzyme cắt Cas9 (hoặc một loại enzyme cắt khác) đến vị trí mục tiêu, nơi các nhà nghiên cứu muốn can thiệp, giống như một mục tiêu giả. Kết hợp với sự giả dạng này là tính linh hoạt của công nghệ: RNA dẫn đường có thể được thiết kế để thêm, thay thế hoặc loại bỏ một chuỗi DNA cụ thể.

Ví dụ: Việc điều trị bệnh hồng cầu hình lưỡi liềm. Sự linh hoạt của công nghệ CRISPR các nhà nghiên cứu nuôi cấy các tế bào gốc vạn năng cảm ứng (iPS) từ nguyên bào sợi có trong da của bệnh nhân và sau đó sử dụng CRISPR-Cas9 để sửa một bản sao đột biến đơn cơ sở gây bệnh. Các tế bào hồng cầu được sản xuất từ các tế bào iPS được chỉnh sửa này tạo ra beta globin trưởng thành và không bị hình lưỡi liềm. Trong một cách tiếp cận khác, sử dụng các tế bào gốc tạo máu, các nhà nghiên cứu đã sử dụng CRISPR-Cas9 để cắt một đoạn nhỏ gen, BCL11A, có chức năng điều chỉnh sự chuyển đổi phân tử từ hemoglobin của bào thai sang người trưởng thành. Các tế bào hồng cầu được sản sinh sau đó tạo ra hemoglobin bào thai, phục hồi khả năng mang oxy của máu.

3. Công nghệ chỉnh sửa gen CRISPR chính xác hơn khái niệm truyền thống về liệu pháp gen.

Liệu pháp gen là công nghệ về gen đi tiên phong trong thập niên 1990, nghiên cứu về các bản sao của các gen tự nhiên (gen chức năng) bị xóa hoặc bị đột biến trong một bệnh cụ thể bằng cách sử dụng các vectơ virus, liposome, hoặc trực tiếp thông qua công nghệ điện di (electroporation). Nhưng liệu pháp gen chỉ thêm gen, nó không thay thế gen như công nghệ CRISPR có thể làm.

CRISPR ban đầu được biết đến như một liệu pháp gen bất ngờ phá vỡ gen ung thư gây ra bệnh bạch cầu ở trẻ em giúp điều trị thành công thiếu hụt miễn dịch di truyền được công bố năm 2002 đã gây tiếng vang lớn trong lĩnh vực này. Mặc dù công nghệ CRISPR cũng sử dụng một số vectơ virus tương tự như liệu pháp gen, nhưng phức hợp hình thành có khả năng nhắm mục tiêu tốt hơn. Trong liệu pháp gen truyền thống, các gen sử dụng được tích hợp vào một nhiễm sắc thể ngẫu nhiên hoặc tại bất kỳ một vị trí gắn kết nào hoặc được đặt trong một vòng DNA gọi là episome nằm bên ngoài các nhiễm sắc thể. Công nghệ CRISPR thay vào đó gửi gen sử dụng vào các RNA dẫn đường giúp vận chuyển tới vị trí chính xác trong bộ gen. Độ chính xác này là lý do tại sao công nghệ CRISPR được gọi là công nghệ “chỉnh sửa gen”.

4. Bệnh nhân đừng tự thổi phồng các ứng dụng hiện đại của CRIPR

Có một số người nghĩ rằng nên y khoa của chúng ta đang bước sang trang mới của một loạt các phương thức điều trị mới. Nhưng kiểm tra trên cơ sở dữ liệu hiện đại cho thấy vẫn còn hạn chế các thử nghiệm liên quan đến CRISPR, và một nửa trong số đó cần lấy mẫu các tế bào của bệnh nhân, can thiệp bên ngoài, sau đó mới chuyển qua cơ thể của họ.

Về liệu pháp gen cho voretigene neparvovec-rzyl để điều trị một dạng mù võng mạc. Phải gần 28 năm mới được sự chấp thuận đầu tiên của Cục quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) về liệu pháp gen cho voretigene neparvovec-rzyl. Như vậy, công nghệ gen cũng cần phải có thời gian để được sử dụng rộng rãi, nhưng sự phấn khích và nhu cầu lớn có thể thúc đẩy tăng tốc các nghiên cứu và chấp thuận.

Hiện tại, các nghiên cứu tiền lâm sàng đang tiến triển đối với một số đột biến đơn gen, bao gồm: bệnh mù lòa bẩm sinh LCA (Leber Congenital Amaurosis), hội chứng điếc bẩm sinh Usher, bệnh thiếu máu thalassemia (tan máu bẩm sinh), bệnh loạn dưỡng cơ Duchenne, xơ nang (cystic fibrosis), bệnh amyloidosis di truyền do transthyretin amyloid, bệnh thiếu hụt men Alpha-1-Antitrypsin, hội chứng tăng oxalat niệu type 1 nguyên phát, cũng phương pháp tiếp cận CAR-T chống lại ung thư.

5. Các ứng dụng của công nghệ CRISPR sẽ vượt qua thuốc và có thể gây nhiều tranh cãi.

Các câu chuyện tiếp theo của CRISPR sẽ xung quanh các cuộc tranh chấp bằng sáng chế, tranh cãi về tiềm năng, thay đổi dòng di truyền, và lo ngại kiểm soát quá mức sâu bệnh đến điểm tuyệt chủng. Các báo cáo gần đây cung cấp một loạt các ứng dụng CRISPR đang được nghiên cứu bao gồm:

· Tạo “gen định hướng” để tiêu diệt muỗi mang ký sinh trùng sốt rét hoặc virus Zika

· Bất hoạt các chất gây ung thư hoặc kích hoạt các gen ức chế khối u ở các khối u rắn

· Thay thế một đột biến chi phối trong gen MYBPC3 gây ra bệnh cơ tim phì đại, từ quá trình thụ tinh

· Kỹ thuật enzyme Cas để phát ra tín hiệu huỳnh quang giúp chẩn đoán HPV, bệnh Zika và sốt xuất huyết.

Có thể thấy rằng công nghệ sửa chữa gen CRISPR đang ngày càng chứng tỏ tiềm năng ứng dụng mạnh mẽ trong các nghiên cứu về công nghệ gen và kỹ thuật di truyền. Các nhà khoa học đang tiến hành nghiên cứu để sử dụng hệ thống này để sửa chữa sai hỏng trong DNA bộ gen tròn các bệnh lý di truyền.