יתכן שראית זאת בחדשות לאחרונה: תינוק בפנסילבניה עם הפרעה גנטית נדירה נרפא עם טיפול בהתאמה אישית שתיקן את המוטציה הגנטית הספציפית שלו. הטיפול נוצר באמצעות צורה של עריכת גנים בשם עריכת בסיס -שיטה שנוצרה על ידי אלכסיס קומור כשהייתה מלומדת פוסט -דוקטורט בקבוצת הביולוג המולקולרית דייוויד ליו באוניברסיטת הרווארד.
מאז שפורסמה עבודה זו בשנת 2016, קומור, שהוא כיום פרופסור חבר לכימיה וביוכימיה באוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו, המשיך ללמוד כלים לעריכת בסיס כדי להבין טוב יותר ולפתח עוד יותר את יכולותיהם. המחקר האחרון שלה, שפורסם ב תקשורת טבעמתווה את האופן בו ניתן לתמרן חלבונים מסוימים לתיקון DNA כדי לייצר תוצאות רצויות.
ה- DNA הגנומי שלנו מורכב מארבעה בסיסים – ציטוזין (C), תימין (T), גואנין (G) ואדנוזין (א). בסיסים אלה מתחברים יחד לכ -3 מיליארד זוגות בסיס שונים, המסודרים במבנה כפול סלקס.
בני אדם זהים של 99.9% באיפור הגנטי שלהם, ואילו 0.1% הנותרים מהווים הבדל כלשהו בין אדם אחד למשנהו. כאשר לאדם אחד יש בסיס C, לאדם אחר עשוי להיות בסיס T. ישנן מיליוני וריאציות גנטיות שאפשר בין שני אנשים, ולמרות שרבים אינם מזיקים, אחרים יכולים להוביל למחלות גנטיות מתישות או סופניות.
עבור אנשים רבים עם מחלות גנטיות, עריכת גנים היא התקווה היחידה שלהם לריפוי.
עריכת גנים נעשית באופן מסורתי באמצעות CRISPR-CAS9 כדי לבצע שינוי פיזי ב- DNA. מדריך RNA מכוון את חלבון CAS9 למיקום DNA ספציפי, בו CAS9 מתנשא לחלוטין ל- DNA – המכונה הפסקה כפולה תקועה. ישנם חלבונים רבים בתא שיכולים לאתר נזק ל- DNA ואז לתקן אותו בתהליך שנקרא מסלול תיקון.
בדרך כלל מסלולי מסלולים אלה לוקחים את שני הקצוות השבורים של ה- DNA ומתייזרים אותם יחד, המכונה קשירה. עם CRISPR-CAS9, ככל שמספר ההפסקות והתיקונים עולה, כך גם הכנסות ומחיקות לא רצויות, הנקראות אינדרס. כאשר זה קורה, גדיל ה- DNA כבר לא תואם את המקור ותהליך העריכה מסתיים.
בתור פוסט-דוק, קומור מצא דרך להשיג עריכת גנים עם יעילות גבוהה יותר ושכיחות נמוכה יותר של אינדלים על ידי הימנעות מהפסקות כפולות. היא קראה כיתה חדשה של כלים "עריכת בסיס" מכיוון שהיא משנה כימית בסיס DNA מכתב אחד בכל פעם.
בעזרת עריכת בסיס, לא רק שאנו משיגים תוצאה טובה יותר, אלא גם הצעדים המובילים לתוצאה משופרים. הפסקות כפולות יכולות להיות רעילות ויכולות לגרום למוות בתאים. הם יכולים גם לגרום לסידור מחדש גנומי בקנה מידה גדול יותר מכיוון שאתה חותך פיזית את ה- DNA. עורכי בסיס נמנעים מכך. "
אלכסיס קומור, פרופסור חבר לכימיה וביוכימיה, אוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו
קומור פיתח שני כלים, עורך בסיס אדנין (ABE), שממיר בסיס A לבסיס G, ועורך בסיס ציטוזין (CBE), הממייר בסיס C לבסיס T. עורכי בסיס מבצעים המרות באמצעות מתווך. במקרה של CBEs, הציטוזין מומר לראשונה לאורציל, חומצה גרעינית שנמצאת ב- RNA. במהלך התיקון, ה- DNA קורא את האורציל כתימין.
למרות שאין הפסקה כפולה-גדילים, עורכי הבסיס אכן יוצרים ניק בגדיל אחד. אנזים מחובר ל- CAS9 ומשנה כימית את הבסיס. ל- CBEs יכול להיות שיעור המרה של 90-95% עם מינימום תוצרי לוואי לא רצויים.
אנו יודעים שעורך הבסיס עובד, אבל איך? זו השאלה העיקרית של הקבוצה של קומור רצתה לענות. הם תהו כיצד האורציל מטופל על ידי התא. איזה תפקיד ממלאת ה- NICK? כיצד כל החלבונים השונים בתא משפיעים על תוצאות העריכה?
חלבון מסוים אחד הנקרא אורציל n-glycosylase (UNG) מוצא ומוחק אורצילים. כאשר חלבון זה קיים, שכיחות התוצאות הלא רצויות עלתה. כאשר נעצרה UNG, יעילות ה- CBE גדלה. אבל לקבוצה של קומור לא הייתה הבנה מלאה של התהליך.
כדי לחשוף את התשובה, הצוות השתמש בטכניקה בשם Gene Dockdown, שמפחית את יכולתו של הגן לבטא את עצמו. הם עשו זאת עבור כל חלבון או עיבוד DNA שונים של DNA בגנום האנושי – 2,015 חלבונים בסך הכל.
לאחר מכן הם השתמשו בסמני חלבון פלואורסצנטיים ירוקים כדי לזהות תאים המכילים את העריכות הרצויות, או מוטציות C או את עריכות ה- C שנפגעו ב- UNG, תוך השלכת העריכות שנפגעו ב- UNG שהם לא רצו.
הם עשו את העבודה הזו באמצעות מסך CRISPRI, שלוקח מדריך RNA לגן המעניין ומקטין את הביטוי שלו. לתאי CRISPRI של קומור היו שני RNA מדריכים – אחד להפעלת יצרנית החלבונים הפלואורסצנטית עם ה- CBE ואחד מכוון להפיל את חלבון התיקון הספציפי. בסך הכל, לקומור הייתה ספרייה של כ- 12,000 שילובי RNA מדריכים שונים למסך CRISPRI.
ברגע שאספו את כל התאים שקיבלו ירוק פלואורס, הם רצו את ה- RNA המדריך כדי לראות אילו גנים הופלו (ולכן הביטוי שלהם היה מזיק לעריכת הבסיס).
הם גילו שליגאז בשם Lig3 מעכב עריכת בסיס. ליגזות מחוברות את קצות גדילי ה- DNA השבורים בחזרה זה לזה וכאשר LIG3 היה נוכח, עריכת CBE הייתה נמוכה יותר.
"אנחנו חושבים שה- LIG3 יכול להתגנב פנימה ולחתום את הניק הזה יחד. ואז אין לנו סיכוי לאורציל ההוא יהפוך לתימין יותר", הצהיר קומור. "זה כאילו ה- LIG3 עובד נגדנו."
הם מצאו גם מסלול תיקון בשם תיקון אי -התאמה שעזר למעשה לעריכת בסיס ציטוזין. קומפלקס חלבון Muts-alpha, מרכיב בתיקון אי התאמה, מורכב משני חלבונים ובא לידי ביטוי לאורך חייו של התא. כאשר הופל, ההמרות של C ל- T צנחו. קומור חושב שזה בגלל שמוטס-אלפא מזהה את הביניים האורציליים ועוזר להמיר אותו לתימין.
למה כל המהומה? אם הכלי עובד, האם זה משנה מדוע? כן, אומר קומור.
"כלי עריכת הבסיס האלה טובים, אבל הם לא מושלמים", הצהירה. "אם נוכל להבין טוב יותר כיצד הם מתפקדים בתא, זה יעזור לנו להבין כיצד נוכל לשפר את היעילות שלהם או אפילו ליצור סוגים חדשים של עורכי בסיס."
קומור מציין גם שחשוב להבין כיצד כלים אלה פועלים מסיבות בטיחותיות. האם עריכת בסיס מפעילה תגובה סלולרית בלתי צפויה? האם יש נזק ל- DNA או מוות של תאים? ככל שאנו יודעים יותר על מנגנוני עורכי הבסיס וכיצד תאים מגיבים, כך אנו ממוקמים טוב יותר ולהפסיק את ההשלכות הבלתי מכוונות.
"זו אחת הסיבות לכך שהעבודה הזו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדע. זהו מדע בסיסי – הבנה מדוע הדברים הם כמו שהם ואיך הם מתפקדים בסביבות מסוימות," אמר קומור.
לעיתים קרובות לוקח עשרות שנים לראות את ההשפעה בעולם האמיתי של מחקר מדעי בסיסי, אך טכניקות עריכת הבסיס של קומור נפרסו בבתי חולים בזמן קצר בהרבה. היא מציינת כי עד היום לפחות 10 אנשים נשמרו באמצעות CBE. בנוסף, ישנם מספר ניסויים קליניים, כלומר, סביר להניח שהמספר יגדל מאוד בשנים הקרובות.
מחקר זה נתמך, בחלקו, על ידי הקרן הלאומית למדע (MCB-2048207), מכוני הבריאות הלאומיים (T32GM146648) ותאגיד המחקר לקידום מדעי באמצעות מלגת Cottrell (27975).
