CRISPR-Cas נמצא בשימוש נרחב במחקר וברפואה כדי לערוך, להכניס, למחוק או לווסת גנים באורגניזמים. TnpB הוא אב קדמון של "מספריים גנים" הידוע הזה, אך הוא קטן בהרבה ולכן קל יותר להעביר אותו לתאים. באמצעות הנדסת חלבונים ואלגוריתמים של AI, חוקרי UZH שיפרו כעת את יכולות ה-TnpB כדי להפוך את עריכת ה-DNA ליעילה יותר ולרב-תכליתית, וסללו את הדרך לטיפול בפגם גנטי לכולסטרול גבוה בעתיד.
מערכות CRISPR-Cas, המורכבות ממרכיבי חלבון ו-RNA, פותחו במקור כמנגנון הגנה טבעי של חיידקים כדי להדוף וירוסים חודרים. במהלך העשור האחרון, הנדסה מחדש של מה שמכונה "מספריים גנים" חוללה מהפכה בהנדסה הגנטית במדע וברפואה. ניתן לתכנת את הכלים למצוא מיקום ספציפי ב-DNA שלנו ולערוך את המידע הגנטי בצורה מדויקת. לדוגמה, ניתן להחזיר מוטציה הגורמת למחלה ב-DNA למצבה הבריא.
כלי לעריכת גנום קטן בהרבה
לאחרונה התגלה שחלבוני Cas התפתחו מחלבונים קטנים בהרבה, כאשר TnpB הוא האב של Cas12. מכיוון שהגודל הגדול של חלבוני Cas יוצר אתגרים כאשר מנסים להעביר אותם לתאים הנכונים בגוף, מחקרים אחרונים ניסו להשתמש באבות האבולוציוניים הקטנים יותר שלהם ככלי לעריכת גנום. הבעיה עם החלופות הקטנות הללו היא שהן פועלות פחות ביעילות. מכשול זה התמודד כעת על ידי צוות מחקר בראשותו של ג'רלד שואנק מהמכון לפרמקולוגיה וטוקסיקולוגיה באוניברסיטת ציריך (UZH) יחד עם עמיתים מה-ETH ציריך.
על ידי הנדסת החלבון הקטן אך החזק TnpB, הצלחנו לעצב וריאנט שמראה עלייה של פי 4.4 ביעילות של שינוי DNA – מה שהופך אותו ליותר יעיל ככלי לעריכת גנים."
ג'רלד שוואנק, המכון לפרמקולוגיה וטוקסיקולוגיה, אוניברסיטת ציריך
חלבוני TnpB נמצאים במגוון חיידקים וארכיאה. ה-TnpB שנחקרו על ידי החוקרים מגיע מהחיידק Deinococcus radiodurans. חיידק זה שורד קור, התייבשות, ואקום וחומצה, והוא אחד מהאורגניזמים העמידים ביותר לקרינה המוכרים לבני אדם. החלבון הקומפקטי TnpB הוכח בעבר כעובד לעריכת גנום בתאים אנושיים, אם כי עם יעילות נמוכה ויכולת מיקוד מוגבלת בשל דרישות הזיהוי שלו בעת קשירת DNA.
יכולת קשירה טובה יותר ומגוון רחב יותר של רצפי יעד של DNA
לכן, החוקרים ביצעו אופטימיזציה של TnpB כך שהוא יערוך את ה-DNA של תאי יונקים בצורה יעילה יותר מהחלבון המקורי. "הטריק היה לשנות את הכלי בשתי דרכים: ראשית, כך שהוא יעבור בצורה יעילה יותר לגרעין שבו נמצא ה-DNA הגנומי, ושנית, כך שהוא מכוון גם לרצפי גנום חלופיים", אומר קים מרקווארט, דוקטורנט ב- המעבדה של ג'רלד שוואנק והמחבר הראשון של המחקר.
כדי לזהות אילו תכונות ברצפי ה-DNA של אתרי המטרה קובעות את יעילות עריכת הגנום, החוקרים בדקו את TnpB ב-10,211 אתרי יעד שונים. בשיתוף עם הצוות של מייקל קראוטהאמר, גם פרופסור ב-UZH, הם פיתחו מודל בינה מלאכותית חדש המסוגל לחזות יעילות עריכת TnpB בכל אתר יעד נתון. "המודל שלנו יכול לחזות עד כמה TnpB יעבוד בתרחישים שונים, מה שיקל ומהיר יותר לתכנן ניסויים מוצלחים של עריכת גנים. באמצעות תחזיות אלו, השגנו עד 75.3% יעילות בכבדי עכברים ו-65.9% במוח של עכברים", מוסיף מרקוורט. .
טיפול בעריכת גנים של פגם גנטי לכולסטרול גבוה
"עבור הניסויים בבעלי חיים, הצלחנו להשתמש בוקטורים ויראליים בעלי קיימא קלינית הקשורים ל-Adeno כדי להעביר ביעילות את הכלים לתוך תאי עכבר. בשל גודלה הקטן, ניתן לארוז את מערכת עריכת הגנים TnpB לתוך חלקיק וירוס בודד", אומר מרקווארט. . לעומת זאת, יש לארוז את רכיבי CRISPR-Cas9 במספר חלקיקי וירוסים, מה שאומר שצריך ליישם מינונים וקטוריים גבוהים יותר.
בפרויקט הנוכחי, החוקרים בדקו האם ניתן להשתמש בכלי TnpB לטיפול בחולים עם היפרכולסטרולמיה משפחתית. מחלה גנטית זו מובילה לעלייה חמורה בכולסטרול גבוה לאורך החיים המשפיעה על כ-31 מיליון אנשים ברחבי העולם. המחלה מגבירה את הסיכון להופעה מוקדמת של מחלות לב וכלי דם טרשתיות. "הצלחנו לערוך גן שמווסת את רמות הכולסטרול, ובכך להפחית את הכולסטרול בעכברים שטופלו בכמעט 80%. המטרה היא לפתח אסטרטגיות עריכת גנים דומות בבני אדם על מנת לטפל בחולים הסובלים מהיפר-כולסטרולמיה", אומר ג'רלד שוואנק.
