Liệu chúng ta có thể chữa các bệnh di truyền bằng cách viết lại DNA?

Trong một câu chuyện về khám phá khoa học, nhà sinh vật học David R. Liu chia sẻ một bước đột phá: phòng thí nghiệm của ông đã phát triển các trình soạn thảo cơ sở có thể viết lại DNA. Bước quan trọng trong việc chỉnh sửa bộ gen đã đưa CRISPR lên một tầm cao mới: nếu protein CRISPR là kéo phân tử, được lập trình để cắt các chuỗi DNA cụ thể, thì các mảnh mồi là bút chì, có khả năng viết lại một chữ DNA thành một chữ cái khác. Tìm hiểu thêm về cách thức các máy phân tử này hoạt động - và tiềm năng của chúng để điều trị hoặc thậm chí chữa các bệnh di truyền.

Món quà tuyệt vời nhất mà bố mẹ bạn tặng

là hai cặp chứa ba tỉ chữ cái của DNA

làm nên bộ gen của bạn.

Nhưng giống như bất cứ điều gì
với ba tỉ thành phần,

món quà đó thật mong manh.

Ánh nắng, hút thuốc,
ăn uống không lành mạnh

thậm chí sai lầm tự phát
được tạo bởi các tế bào của bạn,

tất cả đều làm thay đổi bộ gen của bạn.

Loại thay đổi phổ biến nhất trong DNA

là hoán đổi của một chữ cái,
chẳng hạn như C,

với một chữ cái khác,
chẳng hạn như T, G hoặc A.

Trong bất kỳ ngày nào, các tế bào
trong cơ thể bạn sẽ tích lũy

hàng tỉ sự hoán đổi một chữ cái,
còn được gọi là "đột biến điểm."

Bây giờ, hầu hết những
đột biến điểm là vô hại.

Nhưng một lúc nào đó,

một đột biến điểm làm gián đoạn
một khả năng quan trọng trong một tế bào

hoặc làm cho một tế bào hoạt động sai
theo những hướng có hại.

Nếu đột biến đó được di truyền
từ cha mẹ của bạn

hoặc xảy ra đủ sớm
trong sự phát triển của bạn,

sau đó kết quả sẽ là
rất nhiều hoặc tất cả các tế bào của bạn

chứa đột biến có hại này.

Và sau đó bạn sẽ là một
của hàng trăm triệu người

với một bệnh di truyền,

chẳng hạn như thiếu máu hồng cầu
hình liềm hoặc lão hóa sớm

hoặc loạn dưỡng cơ
hoặc bệnh Tay-Sachs.

Bệnh di truyền được
gây ra bởi đột biến điểm

đặc biệt khó chịu

bởi vì chúng ta thường biết
chính xác sự thay đổi một chữ cái

cái mà gây bệnh
và, trên lý thuyết, có thể chữa khỏi bệnh.

Hàng triệu người
bị thiếu máu hồng cầu hình liềm

Bởi vì họ có
một đột biến điểm thay A bằng T

trong cả hai bản sao của
gen huyết sắc tố của họ.

Và trẻ em mắc bệnh lão hóa sớm
chúng sinh ra với một T

tại một vị trí duy nhất
trong bộ gen của họ

nơi bạn có điểm C,

với hậu quả tàn khốc
rằng những đứa trẻ tuyệt vời, sáng sủa

qua đời rất nhanh ở khoảng
14 tuổi.

Xuyên suốt lịch sử y học,

chúng tôi chưa có cách hiệu quả
để sửa các đột biến điểm

trong các hệ thống sống,

để thay đổi căn bệnh bị gây ra do
chuyển T thành C.

Có lẽ cho đến bây giờ.

Bởi vì phòng thí nghiệm của tôi đã
thành công trong việc phát triển chúng.

chúng tôi gọi là
"bộ chỉnh sửa".

Câu chuyện về cách chúng tôi
phát triển chúng

thực sự bắt đầu từ ba tỉ năm trước.

Chúng tôi nghĩ về vi khuẩn
là nguồn lây nhiễm,

nhưng bản thân vi khuẩn cũng vậy
dễ bị nhiễm bệnh

đặc biệt, bởi virus.

Khoảng ba tỉ năm trước,

vi khuẩn phát triển một cơ chế bảo vệ
để chống nhiễm virus.

Cơ chế phòng thủ đó
bây giờ được gọi là CRISPR.

Và đầu đạn trong CRISPR
protein màu tím này

hoạt động như những cái
kéo để cắt DNA,

phá vỡ chuỗi xoắn kép thành hai mảnh.

Nếu CRISPR không thể phân biệt
giữa DNA của vi khuẩn và virus,

nó không thể là
hệ thống phòng thủ hữu dụng.

Nhưng tính năng tuyệt vời nhất của CRISPR

là những cái kéo có thể
được lập trình để tìm kiếm,

liên kết và cắt

chỉ một chuỗi DNA cụ thể.

Vì vậy, khi một vi khuẩn bị nhiễm virus
lần đầu tiên

nó có thể lưu trữ một đoạn nhỏ
DNA của virus đó

để sử dụng như một chương trình
hướng dẫn kéo CRISPR

để cắt chuỗi DNA virus đó
trong một nhiễm trùng trong tương lai.

Cắt DNA của virus để gây rối
chức năng của gen virus bị cắt,

và vì vậy phá vỡ
vòng đời của virus.

Các nhà nghiên cứu đáng chú ý bao gồm
Emmanuelle Charpentier, George Church,

Jennifer Doudna and Feng Zhang

cho thấy sáu năm trước cách kéo CRISPR
có thể được lập trình

để cắt các chuỗi DNA của
theo lựa chọn của chúng tôi,

bao gồm các trình tự trong bộ gen của bạn,

thay vì các chuỗi DNA virus
được lựa chọn bởi vi khuẩn.

Nhưng kết quả thực sự tương tự nhau.

Cắt một chuỗi DNA trong bộ gen của bạn

cũng làm gián đoạn chức năng
điển hình của gen cắt

bằng cách gây ra sự chèn và xóa
hỗn hợp ngẫu nhiên của các chữ cái DNA

tại vị trí cắt.

Bây giờ, các gen bị gián đoạn có thể rất
hữu ích cho một số ứng dụng.

Nhưng đối với hầu hết các đột biến điểm
gây ra các bệnh di truyền,

chỉ cắt gen đã bị đột biến
sẽ không có lợi cho bệnh nhân,

bởi vì chức năng của gen bị đột biến
cần được khôi phục,

chứ không phải bị gián đoạn thêm.

Vì vậy, cắt gen
huyết sắc tố đã bị đột biến

gây thiếu máu hồng cầu hình liềm

sẽ không khôi phục khả năng tạo hồng cầu
khỏe mạnh của bệnh nhân.

Và đôi khi chúng ta có thể
chèn thêm trình tự DNA mới vào tế bào

để thay thế trình tự DNA
xung quanh một vị trí cắt,

thật không may, quá trình đó không
hoạt động trong hầu hết các loại tế bào,

và kết quả là gen bị gián đoạn
vẫn chiếm ưu thế.

Như nhiều nhà khoa học khác
tôi đã mơ về một tương lai

trong đó chúng ta có thể điều trị
hoặc thậm chí có thể chữa

bệnh di truyền ở người.

Nhưng tôi thấy thiếu một cách
để khắc phục đột biến điểm,

nguyên nhân gây ra hầu hết
các bệnh di truyền ở người,

như một vấn đề lớn đang cản trở.

Là một nhà hóa học
tôi làm việc với các sinh viên

để tìm ra cách đưa các chất hóa học
trực tiếp vào đoạn DNA mồi

để thực sự sửa chữa, thay vì phá vỡ,
các đột biến gây bệnh di truyền.

Kết quả của những nỗ lực của chúng tôi
là máy phân tử

được gọi là "máy tạo mảnh mồi".

Máy sử dụng cơ chế lập trình
tìm kiếm của kéo CRISPR,

nhưng thay vì cắt DNA,

chúng trực tiếp chuyển đổi
từ cái này sang cái khác

mà không làm gián đoạn
phần còn lại của gen.

Vì vậy, nếu bạn nghĩ về việc tự nhiên
xảy ra của protein CRISPR như kéo phân tử,

bạn có thể nghĩ về các bộ chỉnh sửa
như bút chì,

có khả năng viết lại trực tiếp
một kí tự DNA thành một kí tự khác

bằng cách thực sự sắp xếp lại
các nguyên tử của một cơ sở DNA

thay vào đó trở thành một cái khác.

Bây giờ, các bộ chỉnh sửa
không có ở tự nhiên.

Trong thực tế, chúng tôi thiết kế
chúng đầu tiên, được thấy ở đây,

từ ba protein riêng biệt

thậm chí không đến
từ cùng một sinh vật.

Chúng tôi bắt đầu bằng cách lấy kéo CRISPR
và vô hiệu hóa khả năng cắt DNA

trong khi vẫn giữ được khả năng tìm kiếm
và liên kết một chuỗi DNA đích

một cách đã được lập trình.

Cho những kéo CRISPR bị bất hoạt,
thể hiện bằng màu xanh,

chúng tôi gắn một protein thứ hai màu đỏ,

trong đó thực hiện một phản ứng hóa học
trên mảnh mồi DNA C,

chuyển đổi nó thành một mảnh mồi
hoạt động như T.

Thứ ba, chúng tôi phải đính kèm
vào hai protein đầu tiên

một protein hiển thị màu tím,

nó sẽ bảo vệ mảnh mồi được chỉnh sửa
không bị loại bỏ bởi tế bào.

Kết quả cuối cùng là một thiết kế
protein ba phần

đó là lần đầu tiên
cho phép chúng tôi chuyển đổi C thành T

tại các vị trí quy định trong bộ gen.

Nhưng dừng ở đây thì mới chỉ xong
một nửa công việc.

Bởi vì để ổn định trong các tế bào,

hai sợi xoắn kép DNA
phải tạo thành cặp cơ sở.

Và vì C chỉ cặp với G,

và T chỉ cặp với A,

chỉ cần thay đổi C thành T trên
một chuỗi DNA sẽ gây sự không phù hợp,

sự bất đồng giữa hai chuỗi DNA

tế bào phải giải quyết
bằng cách quyết định thay thế sợi nào.

Chúng tôi nhận ra rằng chúng tôi có thể
tiếp tục thiết kế ba phần protein này

để gắn các chuỗi không có ký tự
như một cái được thay thế

bằng cách cắt chuỗi đó.

Vết cắt nhỏ này đánh lừa tế bào

thay thế G vốn có, bằng A

khi tế bào thay thế chuỗi bị cắt,

qua đó hoàn thành việc chuyển đổi
về những gì từng là một cặp cơ sở C-G

thành một cặp cơ sở T-A ổn định.

Sau nhiều năm làm việc chăm chỉ

dẫn dắt bởi tiến sĩ Alexis Komor,

chúng tôi đã thành công trong việc
phát triển bộ chỉnh sửa đầu tiên.

Chuyển đổi C thành T và G thành A

tại các vị trí mục tiêu của chúng tôi.

Trong số hơn 35.000 đột biến điểm
liên quan đến bệnh được biết đến

hai loại đột biến mà bộ chỉnh sửa
đầu tiên này có thể đảo ngược

chiếm khoảng 14 phần trăm hay
khoảng 5.000 đột biến điểm gây bệnh.

Nhưng để sửa chữa đột biến điểm
gây bệnh nhiều nhất

chúng ta cần phát triển
thế hệ thứ hai của bộ chỉnh sửa

cụ thể là có thể chuyển đổi
A thành G hoặc T thành C.

Dẫn đầu bởi Nicole Gaudelli,
cựu nghiên cứu sinh tiến sĩ,

chúng tôi lên kế hoạch phát triển
thế hệ chỉnh sửa thứ hai này,

mà theo lý thuyết, có thể sửa
gần một nửa các đột biến điểm gây bệnh,

bao gồm đột biến gây ra
bệnh lão hóa nhanh.

Chúng tôi nhận ra rằng chúng tôi có thể
mượn, một lần nữa,

cơ chế nhắm mục tiêu của kéo CRISPR

để mang mảnh mồi mới
đến đúng địa chỉ trong bộ gen.

Nhưng chúng tôi nhanh chóng gặp phải
một vấn đề đáng kinh ngạc;

cụ thể là không có protein

được biết là chuyển đổi
A thành G hoặc T thành C

trong DNA.

Gặp một vấn đề nghiêm trọng như vậy,

hầu hết các sinh viên có thể
tìm kiếm một dự án khác

không thì là một người hướng dẫn khác.

(Cười)

Nhưng Nicole đã đồng ý với một kế hoạch

mà có vẻ cực kỳ tham vọng
vào thời điểm đó.

Bởi vì không có loại protein đó
trong tự nhiên

để thực hiện các chức năng cần thiết,

chúng tôi quyết định sẽ tự phát triển
protein trong phòng thí nghiệm

để chuyển đổi A thành mảnh mồi
hoạt động như G,

bắt đầu từ protein
thực hiện chức năng liên quan đến RNA.

Chúng tôi thiết lập một hệ thống
lựa chọn sinh tồn Darwin tốt nhất

đã khám phá hàng chục triệu
biến thể protein

và chỉ cho phép những biến thể hiếm

có thể thực hiện chức năng biến đổi
cần thiết để tồn tại.

Kết quả là protein được thấy ở đây,

loại protein đầu tiên có thể chuyển đổi A
trong DNA

thành mảnh mồi giống G.

Và khi chúng tôi gắn protein đó

với kéo CRISPR bị bất hoạt,
thể hiện bằng màu xanh,

chúng tôi sản xuất bộ chỉnh sửa thứ hai,

có nhiệm vụ chuyển đổi A thành G,

và sau đó sử dụng chiến lược cắt tương tự

mà chúng tôi dùng ở bộ chỉnh sửa
đầu tiên

để lừa tế bào thay thế
T bị sai, bằng C

khi nó thay thế chuỗi bị cắt đó,

qua đó hoàn thành việc chuyển đổi
của cặp cơ sở A-T thành cặp cơ sở G-C.

(Vỗ tay)

Cảm ơn.

(Vỗ tay)

Là một nhà khoa học hàn lâm ở Mỹ,

tôi không quen bị ngắt lời
bởi tiếng vỗ tay.

(Cười)

Chúng tôi đã phát triển
hai lớp đầu tiên của bộ chỉnh sửa

chỉ ba năm trước
và một năm rưỡi trước.

Nhưng cả khi trong thời gian đó,

chỉnh sửa gen đã được sử dụng rộng rãi
bởi cộng đồng nghiên cứu y sinh.

"Bộ chỉnh sửa" đã được gửi
hơn 6.000 lần

theo yêu cầu của hơn
1.000 nhà nghiên cứu trên toàn cầu.

Một trăm bài nghiên cứu khoa học
đã được xuất bản rồi,

sử dụng các bộ chỉnh sửa
trong các sinh vật từ vi khuẩn

đến thực vật, chuột và linh trưởng.

Khi các bộ sửa chữa còn quá mới

để thử nghiệm lâm sàng ở người,

các nhà khoa học đã đạt được
một cột mốc quan trọng đối với mục tiêu đó

bằng cách sử dụng các bộ chỉnh sửa
ở động vật

để sửa đột biến điểm mà
gây ra các bệnh di truyền ở người.

Ví dụ,

một nhóm các nhà khoa học hợp tác
được dẫn dắt bởi Luke Koblan và Jon Levy,

hai sinh viên ở phòng thí nghiệm của tôi,

gần đây đã sử dụng một loại virus để
cung cấp bộ chỉnh sửa thứ hai

cho một con chuột
mắc bệnh lão hóa sớm

thay đổi T trở lại thành C

và đảo ngược hậu quả của nó
ở mức độ DNA, RNA và protein.

Bộ chỉnh sửa cũng được sử dụng
trên động vật

để đảo ngược hậu quả của bệnh tyrosinemia,

thiếu máu hồng cầu hình liềm,
rối loạn dưỡng cơ,

phenylketon niệu, điếc bẩm sinh

và một loại bệnh tim mạch -

trong từng trường hợp, bằng cách trực tiếp
sửa lỗi đột biến điểm

gây ra hoặc hoặc có vai trò
trong cơ chế gây bệnh.

Trong thực vật, các bộ sửa chữa
được sử dụng

để thay đổi từng kí tự của DNA

có thể làm cho cây trồng tốt hơn.

Các nhà sinh học sử dụng các bộ sửa chữa
để xem vai trò của các chữ cái riêng lẻ

trong các gen liên quan
với các bệnh như là ung thư.

Hai công ty mà tôi là đồng sáng lập,
Beam Therapeutics và Pairwise Plants,

đang sử dụng bộ chỉnh sửa
điều trị bệnh di truyền ở người

và để phát triển nông nghiệp.

Tất cả các ứng dụng bộ chỉnh sửa

đã diễn ra trong chưa tới ba năm qua:

về thời gian lịch sử của khoa học,

trong chớp mắt.

Công việc còn phía trước

trước khi chúng ta thấy được
tiềm năng đầy đủ của bộ chỉnh sửa

để cải thiện cuộc sống của bệnh nhân
bị các bệnh di truyền.

Trong khi nhiều bệnh này
được cho là có thể điều trị

bằng cách sửa lỗi đột biến cơ bản

trong một phần nhỏ
của các tế bào trong một cơ quan,

cung cấp bộ máy phân tử
như các bộ chỉnh sửa

vào các tế bào trong một con người

có thể là thử thách.

Chọn vi-rút tự nhiên để cung cấp
các bộ chỉnh sửa

thay vì các phân tử
khiến bạn bị cảm lạnh

là một trong nhiều
chiến lược triển vọng

đã được sử dụng thành công.

Tiếp tục phát triển máy phân tử mới

cho các trường hợp còn lại

để chuyển đổi một cặp này
thành một cặp khác

và giảm thiểu việc chỉnh sửa sai mục tiêu
ở các vị trí trong các tế bào

là rất quan trọng.

Với các nhà khoa học,
bác sĩ, nhà đạo đức và chính phủ

để tối đa hóa khả năng
chỉnh sửa được áp dụng cẩn trọng,

an toàn và đạo đức,

vẫn là một nghĩa vụ quan trọng.

Những thách thức này

nếu bạn nói với tôi
vào năm năm trước

các nhà nghiên cứu trên toàn cầu

sẽ sử dụng phòng thí nghiệm
phân tử

chuyển đổi trực tiếp
một cặp cơ sở nào đó

thành một cặp cơ sở khác

ở một chỗ trong bộ gen người,

hiệu quả và ít tác dụng phụ,

thì tôi sẽ nói rằng,

"Bạn đang đọc tiểu thuyết
khoa học viễn tưởng nào vậy?"

Nhờ một sự tận tâm không ngừng của
nhóm sinh viên

người đủ sáng tạo để thiết kế
những gì chúng ta có thể tự thiết kế

và đủ dũng cảm
để phát triển những gì chúng ta không thể,

chỉnh sửa gen đã bắt đầu giống như
đưa khát vọng trong khoa học viễn tưởng

vào thực tế thú vị,

trong đó món quà quan trọng nhất
chúng ta dành cho con cái

có thể không chỉ là
ba tỉ chữ cái DNA,

mà còn là phương tiện để bảo vệ
và sửa chữa chúng.

Cảm ơn.

(Vỗ tay)

Cảm ơn.