CRISPR/Cas: lịch sử, hiện tại và tương lai

Nhân sự kiện 2 nữ giáo sư nhận giải Nobel hoá học năm 2020 về phát kiến được cho là vĩ đại nhất thế kỉ 21: công cụ chỉnh sửa gen CRISPR/Cas, mình xin được viết những hiểu biết của mình trong 3 năm làm việc với CRISPR/Cas để mọi người cùng đọc và trao đổi.

1. Lịch sử phát hiện CRISPR/Cas

2. Cơ chế hoạt động của CRISPR/Cas

3. Ví dụ thực tế bằng hình ảnh của quy trình CRISPR/Cas

4. Sự bùng nổ của hệ thống CRISPR/Cas trong nghiên cứu ung thư

5. Ứng dụng hệ thống CRISPR/Cas trong bệnh lý thalasemia

6. Ứng dụng hệ thống CRISPR/Cas trong các bệnh lý di truyền hiếm gặp và tương lai

Phần I: Lịch sử phát hiện CRISPR/Cas

Có 1 giáo sư đã nói trước hội trường sinh viên y khoa ở Mỹ rằng “tôi sẽ bị shock nếu các em ngồi đây không biết đến CRISPR/Cas và tại sao phát kiến CRISPR/Cas được coi là vĩ đại nhất trong thế kỉ 21”. Vì vậy bằng một cách đơn giản nhất có thể, mình sẽ giới thiệu cho các bạn về lịch sử phát hiện, cơ chế hoạt động của hệ thống CRISPR/cas. Quá trình nghiên cứu để phát minh ra hệ thống CRISPR/cas là kết quả của một chuỗi thành công từ nhỏ đến lớn của các nghiên cứu từ năm 1987 đến tận đầu năm 2013 của rất nhiều các nhà khoa học, quá trình nghiên cứu cơ bản như sau:

Có thể các bạn sẽ ngạc nhiên vì kĩ thuật này đến từ những nghiên cứu cơ bản là bằng cách nào vi khuẩn (VK) có thể chống lại sự tấn công của virus. Khi virus đã xâm nhập được vào trong VK thì sự nhân lên và tấn công của virus được ví như quả bomb, cái này chắc các bạn đã được biết sự nguy hiểm của nó qua các đại dịch lớn hay covid-19 mới nhất trên con người.

Vì vậy sự tấn công của phage (một loại virus chuyên xâm nhập và nhân lên trong tế bào VK và VK cổ) là một thách thức rất lớn đối với sự tồn tại của VK và VK đã phát triển nhiều cơ chế để chống lại sự xâm nhiễm của phage. Một hệ thống rộng rãi để chống lại các phân tử DNA ngoại lai nguy hiểm như vậy là hệ thống miễn dịch CRISPR/ Cas, được tìm thấy ở 48% ở vi khuẩn và 95% ở vi khuẩn cổ, với tác dụng là nhận ra tác nhân lạ và phá huỷ nó. Vậy CRISPR là gì? Vào năm 1987 một nhóm nghiên cứu từ lab nghiên cứu của GS Yoshizumi Ishino tại ĐH Osaka nhật bản đã tìm ra những đoạn gen kì lạ dài 29 nucleotide được lặp lại nhiều lần và được cách bởi các khoảng trắng hay khoảng trống (spacer) dài khoảng 32 nucleotide khác trong chuỗi DNA, tại thời điểm đó do kĩ thuật giải trình tự gen còn gặp nhiều khó khăn nên để giải thích việc đó là cả một thách thức. đến năm 2002, nhóm nghiên cứu của GS Ruud Jansen tại Đại học Utrecht, Hà Lan đã đặt tên cho “trình tự sắp xếp kiểu lặp đi lặp lại xen khoảng trống” này là CRISPR- Viết tắt của “Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats”. Hơn nữa họ còn nhận định chuỗi CRISPR luôn đi kèm với một số bộ gen phân bố ở vị trí gần đó được gọi là Cas gen với khả năng mã hóa enzymes cắt DNA. Nhưng để giải thích sâu thì tận 3 năm sau đó có 1 nhóm nhà khoa học tuyên bố những phát kiến giải thích rõ bí ẩn của chuỗi CRISPR này, đặc biệt là phát kiến của 2 nhà khoa học Doudna và Capentier vào cuối năm 2012 đầu năm 2013, họ khẳng định đó là cơ chế chủ động để chống lại sự tấn công của Virus nhờ việc dùng enzyme Cas này cắt những mảnh gen của virus rồi tự động gắn những trình tự gen đó vào đoạn gen của mình và được phân cách bằng các khoảng trắng.

Vì vậy các vị trí CRISPR chứa nhiều trình tự lặp lại ngắn khoảng 20-30 cặp base, được phân tách bằng các trình tự đệm khác nhau hay còn gọi là các khoảng trắng với độ dài tương tự, thường giống với các đoạn của bộ gen thực khuẩn thể hoặc các yếu tố di truyền khác do lưu lại những đoạn nhỏ DNA của virus từ những lần chiến đấu thắng lợi. Sau đó đoạn CRISPR này được sao chép với một số lượng lớn thành các CRISPR RNA nhỏ (crRNAs) rồi được taọ thành phức hợp với protein Cas. Cas enzyme hoạt động như một cỗ máy hiệu chỉnh gen với 1 cách đặc biệt là tìm kiếm, nhận diện rồi cắt và phá huỷ những gen có đoạn DNA tương ứng đã tích hợp trong trình tự CRISPR, cho phép các nhà khoa học có thể xoá hoặc thêm 1 đoạn nhỏ DNA theo mong muốn vào trong tế bào.

Ứng dụng hiệu chỉnh gen này đã thành công trên chuột, khỉ, phôi người, các nhà khoa học ở Philadelphia chỉ ra họ có thể sử sụng CRISPR để cắt bỏ đoạn DNA mà virus HIV đã tích hợp từ tế bào người đã bị nhiễm. Gần đây nhất là sự việc nổi tiếng trên thế giới khiến cho 3 nhà khoa học của trung quốc phải ngồi tù và bị phạt với một số tiền khổng lồ vì sử dụng hệ thống này cho mục đích riêng vi phạm y đức, họ đảm bảo rằng có thể tạo ra những đứa con hoàn toàn không mắc HIV từ những cặp cha mẹ bị nhiễm HIV. Ít nhất 8 đứa trẻ đã được tạo ra từ phòng thí nghiệm này và giờ những đứa trẻ này vẫn đang trong quá trình theo dõi và không được công bố chi tiết. Còn rất nhiều các câu chuyện hay khác xoay quanh CRISPR/ Cas nhưng mình xin dừng bài viết đầu tiên tại đây vì đã khá dài rồi. Chốt lại là chỉ trong vòng 8 năm từ đầu năm 2013 đến nay, hệ thống CRISPR/cas đã được ứng dụng vô cùng rộng rãi trong rất nhiều các lĩnh vực đặc biệt là y khoa, nông nghiệp, dược phẩm. Mình cũng ko tưởng tượng được họ sẽ làm đc những gì hay ho hơn nữa trong 10 năm, 20 năm tới, mình sẽ cập nhật tiếp, chúng ta cùng theo dõi qua trang này nha