บทความอายุยืน

เครื่องมือระดับโมเลกุลใหม่แก้ไข DNA ของไมโตคอนเดรียได้อย่างแม่นยำ

เครื่องมือระดับโมเลกุลใหม่ช่วยให้สามารถแก้ไข DNA ของไมโตคอนเดรียได้อย่างแม่นยำ
  • เทคโนโลยีการแก้ไขที่แม่นยำซึ่งได้ปฏิวัติการแก้ไข dna ในนิวเคลียสของเซลล์ ก่อนหน้านี้ไม่สามารถเข้าถึงจีโนมของไมโตคอนเดรียได้

  •  ตัวแก้ไขโมเลกุลตัวใหม่สามารถทำการเปลี่ยนแปลงนิวคลีโอไทด์ได้อย่างแม่นยำใน dna ของไมโตคอนเดรีย ซึ่งได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมจากสารพิษจากแบคทีเรีย

  • ซึ่งแตกต่างจากการแก้ไข dna ในนิวเคลียสของเซลล์ การแก้ไข dna ของไมโตคอนเดรียจำเป็นต้องมีเส้นทางที่เข้าถึงได้สำหรับการขนส่ง rna ไปยังตำแหน่งเป้าหมาย
  • นักวิจัยระบุโปรตีนที่เป็นพิษที่สร้างโดยเชื้อโรค burkholderia cenocepacia ซึ่งสามารถฆ่าเชื้อแบคทีเรียอื่นๆ โดยกำหนดเป้าหมายโดยตรงที่ dna ที่มีเกลียวคู่

บทความนี้ถูกโพสต์ใน broad institute news:

จีโนมในไมโตคอนเดรีย ซึ่งเป็นออร์แกเนลล์ที่สร้างพลังงานของเซลล์ เกี่ยวข้องกับโรคและหน้าที่ทางชีววิทยาที่สำคัญ และความสามารถในการเปลี่ยนแปลง dna นี้อย่างแม่นยำจะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับผลกระทบของยีนและการกลายพันธุ์เหล่านี้ แต่เทคโนโลยีการแก้ไขที่แม่นยำซึ่งได้ปฏิวัติการแก้ไข dna ในนิวเคลียสของเซลล์นั้น ไม่สามารถเข้าถึงจีโนมของไมโตคอนเดรียได้

ขณะนี้ ทีมงานที่ broad institute of mit และ harvard และคณะแพทยศาสตร์มหาวิทยาลัย washington ได้ทำลายอุปสรรคนี้ด้วยตัวแก้ไขโมเลกุลรูปแบบใหม่ที่สามารถสร้างการเปลี่ยนแปลงนิวคลีโอไทด์ของ c* g-to-t* ใน dna ของไมโตคอนเดรียได้อย่างแม่นยำ บรรณาธิการซึ่งได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมจากสารพิษจากแบคทีเรีย ช่วยให้สามารถสร้างแบบจำลองการกลายพันธุ์ของดีเอ็นเอไมโตคอนเดรียที่เกี่ยวข้องกับโรคได้ เปิดประตูสู่ความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมที่เกี่ยวข้องกับมะเร็ง การแก่ชรา และอื่นๆ

งานนี้ได้รับการอธิบายไว้ใน nature โดยมีผู้เขียนร่วมคนแรก beverly mok นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาจาก broad institute และ harvard university และ marcos de moraes นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ university of washington (uw)

งานนี้อยู่ภายใต้การดูแลร่วมกันโดย joseph mougous ศาสตราจารย์ด้านจุลชีววิทยาของ uw และผู้ตรวจสอบที่ howard hughes medical institute (hhmi) และ david liu ศาสตราจารย์ richard merkin และผู้อำนวยการ merkin institute of transformative technologies in healthcare ที่ broad institute ศาสตราจารย์วิชาเคมีและชีววิทยาเคมีที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด และผู้ตรวจสอบ hhmi

“ทีมงานได้พัฒนาวิธีการใหม่ในการจัดการกับ DNA และใช้มันเพื่อแก้ไขจีโนมไมโตคอนเดรียของมนุษย์อย่างแม่นยำเป็นครั้งแรกตามความรู้ของเรา ซึ่งเป็นแนวทางแก้ไขสำหรับความท้าทายที่มีมายาวนานในด้านชีววิทยาระดับโมเลกุล” หลิวกล่าว "งานนี้ถือเป็นข้อพิสูจน์ถึงความร่วมมือในการวิจัยขั้นพื้นฐานและการวิจัยประยุกต์ และอาจมีการนำไปประยุกต์ใช้เพิ่มเติมนอกเหนือจากชีววิทยาของไมโตคอนเดรีย"

ตัวแทนสงครามแบคทีเรีย

แนวทางปัจจุบันส่วนใหญ่ในการศึกษาความแปรผันเฉพาะใน dna ของไมโตคอนเดรียเกี่ยวข้องกับการใช้เซลล์ที่ได้มาจากผู้ป่วย หรือแบบจำลองสัตว์จำนวนเล็กน้อย ซึ่งการกลายพันธุ์เกิดขึ้นโดยบังเอิญ “แต่วิธีการเหล่านี้ก่อให้เกิดข้อจำกัดที่สำคัญ และการสร้างแบบจำลองใหม่ที่กำหนดไว้นั้นเป็นไปไม่ได้” vamsi mootha ผู้เขียนร่วม สมาชิกสถาบันและผู้อำนวยการร่วมของ metabolism program ของ broad กล่าว mootha ยังเป็นนักวิจัย hhmi และศาสตราจารย์ด้านการแพทย์ที่ massachusetts general hospital

แม้ว่าเทคโนโลยีที่ใช้ crispr จะสามารถแก้ไข dna ในนิวเคลียสของเซลล์ได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำ ซึ่งอำนวยความสะดวกอย่างมากในการสร้างแบบจำลองสำหรับโรคต่างๆ แต่เครื่องมือเหล่านี้ไม่สามารถแก้ไข dna ของไมโตคอนเดรียได้ เนื่องจากเครื่องมือเหล่านี้อาศัย rna นำทางในการกำหนดเป้าหมายตำแหน่งในจีโนม เมมเบรนไมโตคอนเดรียช่วยให้โปรตีนเข้าสู่ออร์แกเนลล์ แต่ไม่ทราบว่ามีวิถีการลำเลียง rna ที่เข้าถึงได้

วิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้ชิ้นหนึ่งเกิดขึ้นเมื่อห้องปฏิบัติการ mougous ระบุโปรตีนที่เป็นพิษที่สร้างโดยเชื้อโรค burkholderia cenocepacia โปรตีนนี้สามารถฆ่าเชื้อแบคทีเรียอื่น ๆ ได้โดยการเปลี่ยนไซโตซีน (c) เป็นยูราซิล (u) โดยตรงใน dna ที่มีเกลียวคู่

"สิ่งที่พิเศษเกี่ยวกับโปรตีนชนิดนี้ และสิ่งที่บอกเราว่าโปรตีนชนิดนี้อาจมีการใช้งานเฉพาะตัวในการแก้ไข ก็คือความสามารถของมันในการกำหนดเป้าหมาย DNA ที่มีเกลียวคู่ ดีอะมิเนสที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ทั้งหมดที่ DNA เป้าหมายทำงานเฉพาะในรูปแบบที่มีเกลียวเดี่ยว ซึ่งจำกัดวิธีการ พวกมันสามารถใช้เป็นตัวแก้ไขจีโนมได้” Mougous กล่าว ทีมงานของเขาได้กำหนดโครงสร้างและลักษณะทางชีวเคมีของสารพิษที่เรียกว่า DddA

"เราตระหนักดีว่าคุณสมบัติของ 'ตัวแทนสงครามแบคทีเรีย' นี้อาจทำให้สามารถจับคู่กับระบบกำหนดเป้าหมาย DNA ที่ไม่ใช่ CRISPR ได้ ซึ่งเพิ่มความเป็นไปได้ในการสร้างตัวแก้ไขฐานที่ไม่ต้องพึ่งพา CRISPR หรือ RNA นำทาง" หลิวอธิบาย "มันสามารถช่วยให้เราสามารถดำเนินการแก้ไขจีโนมได้อย่างแม่นยำในมุมสุดท้ายของชีววิทยาที่เทคโนโลยีดังกล่าวยังคงไม่มีใครแตะต้องได้ - DNA ของไมโตคอนเดรีย"

"การทำให้สัตว์เชื่อง"

ความท้าทายหลักประการแรกของทีมคือการกำจัดความเป็นพิษของแบคทีเรีย ซึ่ง liu อธิบายกับ mougous ว่า "ทำให้สัตว์เชื่อง" เพื่อที่จะสามารถแก้ไข dna โดยไม่ทำลายเซลล์ นักวิจัยแบ่งโปรตีนออกเป็นสองซีกที่ไม่ได้ใช้งาน ซึ่งสามารถแก้ไข dna ได้ก็ต่อเมื่อรวมเข้าด้วยกัน

นักวิจัยได้ผูกมัดสารพิษจากแบคทีเรียทั้งสองซีกเข้ากับโปรตีนที่จับกับ dna ของ tale ซึ่งสามารถค้นหาและผูกลำดับ dna เป้าหมายในนิวเคลียสและไมโตคอนเดรียโดยไม่ต้องใช้ rna นำทาง เมื่อชิ้นส่วนเหล่านี้จับ dna ติดกัน สารเชิงซ้อนจะประกอบกลับเป็นรูปแบบที่ใช้งานอยู่ และแปลง c เป็น u ที่ตำแหน่งนั้น ท้ายที่สุดทำให้เกิดการแก้ไขฐาน c* g-to-t* a นักวิจัยเรียกเครื่องมือของพวกเขาว่าตัวแก้ไขฐานไซโตซีนที่ได้มาจาก ddda (ddcbe)

ทีมงานทดสอบ ddcbe กับยีน 5 ตัวในจีโนมไมโตคอนเดรียในเซลล์มนุษย์ และพบว่า ddcbe ติดตั้งการแก้ไขเบสที่แม่นยำใน dna ไมโตคอนเดรียมากถึง 50 เปอร์เซ็นต์ พวกเขามุ่งเน้นไปที่ยีน nd4 ซึ่งเข้ารหัสหน่วยย่อยของเอนไซม์ mitochondrial complex i เพื่อดูลักษณะเฉพาะเพิ่มเติม ห้องทดลองของ mootha วิเคราะห์สรีรวิทยาและเคมีของไมโตคอนเดรียของเซลล์ที่ถูกแก้ไข และแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงส่งผลต่อไมโตคอนเดรียตามที่ตั้งใจไว้

“นี่เป็นครั้งแรกในอาชีพของผมที่เราสามารถออกแบบการแก้ไข DNA ไมโตคอนเดรียได้อย่างแม่นยำ” Mootha กล่าว “เป็นการก้าวกระโดดควอนตัมไปข้างหน้า หากเราสามารถทำการกลายพันธุ์แบบกำหนดเป้าหมายได้ เราก็สามารถพัฒนาแบบจำลองเพื่อศึกษาตัวแปรที่เกี่ยวข้องกับโรค พิจารณาว่าพวกมันมีบทบาทอย่างไรในโรค และคัดกรองผลกระทบของยาต่อวิถีทางที่เกี่ยวข้อง”

การพัฒนาในอนาคต

เป้าหมายประการหนึ่งของสาขานี้คือการพัฒนาบรรณาธิการที่สามารถทำการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมประเภทอื่นๆ ใน dna ของไมโตคอนเดรียได้อย่างแม่นยำ

"เครื่องมือแก้ไขจีโนมของไมโตคอนเดรียมีศักยภาพในระยะยาวที่จะพัฒนาไปสู่การรักษาโรคที่เกิดจากไมโตคอนเดรีย และมีประโยชน์มากขึ้นในฐานะเครื่องมือที่นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้สร้างแบบจำลองโรคของไมโตคอนเดรียได้ดีขึ้น และสำรวจคำถามพื้นฐานที่เกี่ยวข้องกับชีววิทยาของไมโตคอนเดรีย และพันธุกรรม” Mougous กล่าว

ทีมงานกล่าวเพิ่มเติมว่าคุณลักษณะบางอย่างของ ddcbe เช่น การไม่มี rna อาจน่าสนใจสำหรับแอปพลิเคชันแก้ไขยีนอื่นๆ นอกเหนือจากไมโตคอนเดรีย

การศึกษานี้ตีพิมพ์ใน ธรรมชาติ ในเดือนกรกฎาคม 2563 



โพสต์เก่ากว่า โพสต์ใหม่กว่า