นักวิจัยพัฒนาแพลตฟอร์มใหม่ที่มีความสามารถในการแก้ไข DNA ของไมโตคอนเดรีย

นักวิจัยจากศูนย์วิศวกรรมจีโนมภายในสถาบันวิทยาศาสตร์พื้นฐานได้พัฒนาแพลตฟอร์มการแก้ไขยีนใหม่ที่เรียกว่า deaminases ที่เชื่อมโยงกับเอฟเฟกต์เหมือนตัวกระตุ้นการถอดรหัสหรือ TALED TALEDs เป็นตัวแก้ไขพื้นฐานที่สามารถทำการแปลงเบสจาก A-to-G ในไมโตคอนเดรีย การค้นพบนี้เป็นจุดสูงสุดของการเดินทางที่ยาวนานหลายทศวรรษในการรักษาโรคทางพันธุกรรมของมนุษย์ และ TALED ถือได้ว่าเป็นปริศนาชิ้นสุดท้ายที่ขาดหายไปในเทคโนโลยีการแก้ไขยีน

จากการระบุเอ็นไซม์จำกัดแรกในปี 1968 การประดิษฐ์ปฏิกิริยาลูกโซ่โพลีเมอเรส (PCR) ในปี 1985 และการสาธิตการแก้ไขจีโนมที่ใช้ CRISPR ในปี 2013 การค้นพบครั้งใหม่แต่ละครั้งในเทคโนโลยีชีวภาพได้ปรับปรุงความสามารถของเราในการจัดการดีเอ็นเอ พิมพ์เขียวของชีวิต โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การพัฒนาล่าสุดของระบบ CRISPR-Cas หรือ “genetic scissors” ทำให้สามารถแก้ไขจีโนมของเซลล์ที่มีชีวิตได้อย่างครอบคลุม นี่เป็นการเปิดโอกาสใหม่ในการรักษาโรคทางพันธุกรรมที่รักษาไม่หายก่อนหน้านี้ด้วยการแก้ไขการกลายพันธุ์จากจีโนมของเรา

แม้ว่าการแก้ไขยีนจะประสบความสำเร็จอย่างมากในจีโนมนิวเคลียร์ของเซลล์ แต่นักวิทยาศาสตร์ก็ไม่ประสบความสำเร็จในการแก้ไขไมโตคอนเดรียซึ่งมีจีโนมของตัวเองเช่นกัน ไมโตคอนเดรียหรือที่เรียกว่า “โรงไฟฟ้าของเซลล์” เป็นออร์แกเนลล์ขนาดเล็กในเซลล์ที่ทำหน้าที่เป็นโรงงานผลิตพลังงาน เนื่องจากเป็นออร์แกเนลล์ที่สำคัญสำหรับการเผาผลาญพลังงาน หากยีนกลายพันธุ์ จะทำให้เกิดโรคทางพันธุกรรมร้ายแรงที่เกี่ยวข้องกับการเผาผลาญพลังงาน

ผู้อำนวยการ Kim Jin-Soo จากศูนย์ Genome Engineering อธิบายว่า “มีโรคทางพันธุกรรมที่น่ารังเกียจอย่างยิ่งที่เกิดขึ้นเนื่องจากข้อบกพร่องใน DNA ของยล ตัวอย่างเช่น Leber hereditary optic neuropathy (LHON) ซึ่งทำให้ตาบอดอย่างกะทันหันทั้งสองข้างเป็นสาเหตุ โดยการกลายพันธุ์จุดเดียวอย่างง่ายใน DNA ของไมโตคอนเดรีย” โรคที่เกี่ยวข้องกับยีน mitochondrial อื่น ได้แก่ mitochondrial encephalomyopathy with lactic acidosis และ stroke-like episode (MELAS) ซึ่งจะทำลายสมองของผู้ป่วยอย่างช้าๆ การศึกษาบางชิ้นยังชี้ให้เห็นถึงความผิดปกติใน DNA ของไมโตคอนเดรียอาจเป็นสาเหตุของโรคความเสื่อม เช่น โรคอัลไซเมอร์และกล้ามเนื้อเสื่อม

จีโนมยลนั้นสืบทอดมาจากสายมารดา มีการกลายพันธุ์ของจุดที่ก่อให้เกิดโรคถึง 90 ชนิดใน DNA ของไมโตคอนเดรีย ซึ่งโดยรวมแล้วมีผลกระทบต่อบุคคลอย่างน้อย 1 ใน 5,000 คน เครื่องมือแก้ไขจีโนมที่มีอยู่จำนวนมากไม่สามารถใช้งานได้ เนื่องจากข้อจำกัดในวิธีการจัดส่งไปยังไมโตคอนเดรีย ตัวอย่างเช่น แพลตฟอร์ม CRISPR-Cas ไม่สามารถแก้ไขการกลายพันธุ์เหล่านี้ในไมโตคอนเดรีย เนื่องจาก RNA ไกด์ไม่สามารถเข้าสู่ออร์แกเนลล์ได้

ปัญหาอีกประการหนึ่งคือมีโมเดลสัตว์ไม่เพียงพอสำหรับโรคยลเหล่านี้ เนื่องจากขณะนี้ยังไม่สามารถออกแบบการกลายพันธุ์ของไมโตคอนเดรียที่จำเป็นต่อการสร้างแบบจำลองสัตว์ได้ การขาดแบบจำลองของสัตว์ทำให้ยากต่อการพัฒนาและทดสอบการรักษาโรคเหล่านี้”


ผู้อำนวยการ Kim Jin-Soo ศูนย์วิศวกรรมจีโนม

ด้วยเหตุนี้ เทคโนโลยีที่เชื่อถือได้ในการแก้ไข DNA ของไมโตคอนเดรียจึงเป็นหนึ่งในพรมแดนสุดท้ายของวิศวกรรมจีโนมที่ต้องสำรวจเพื่อที่จะเอาชนะโรคทางพันธุกรรมที่รู้จักทั้งหมด และนักวิทยาศาสตร์ชั้นยอดของโลกได้พยายามมานานหลายปีเพื่อทำให้สิ่งนี้เป็นจริง

ในปี 2020 นักวิจัยที่นำโดย David R. LIU จาก Broad Institute of Harvard และ MIT ได้สร้างตัวแก้ไขฐานใหม่ชื่อ DddA-derived cytosine base editors (DdCBEs) ที่สามารถทำการแปลง C-to-T จาก DNA ในไมโตคอนเดรีย สิ่งนี้เกิดขึ้นได้ด้วยการสร้างเทคโนโลยีการแก้ไขยีนใหม่ที่เรียกว่าการแก้ไขเบส ซึ่งจะแปลงเบสนิวคลีโอไทด์เป็นเบสอื่นโดยไม่ทำลาย DNA อย่างไรก็ตาม เทคนิคนี้ก็มีข้อจำกัดเช่นกัน ไม่ได้จำกัดเฉพาะการแปลง C-to-T เท่านั้น แต่ส่วนใหญ่จำกัดเฉพาะรูปแบบ TC เท่านั้น ทำให้เป็นตัวแปลง TC-TT ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งหมายความว่าสามารถแก้ไขได้เพียง 9 ใน 90 (= 10%) ที่ยืนยันการกลายพันธุ์ของจุดไมโตคอนเดรียที่ทำให้เกิดโรค เป็นเวลานานที่สุดที่การแปลง A-to-G ของ DNA ของไมโตคอนเดรียนั้นถือว่าเป็นไปไม่ได้

ผู้เขียนคนแรก CHO Sung-Ik กล่าวว่า “เราเริ่มคิดหาวิธีที่จะเอาชนะข้อจำกัดเหล่านี้ ด้วยเหตุนี้ เราจึงสามารถสร้างแพลตฟอร์มการแก้ไขยีนแบบใหม่ที่เรียกว่า TALED ซึ่งสามารถบรรลุการแปลง A-to-G ได้ ฐานใหม่ของเรา บรรณาธิการได้ขยายขอบเขตของการแก้ไขจีโนมยลอย่างมาก สิ่งนี้สามารถมีส่วนร่วมอย่างมากไม่เพียง แต่ในการสร้างแบบจำลองโรคเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการพัฒนาการรักษาด้วย” ตามที่ควรทราบ ความสามารถในการแปลง A-to-G ใน mtDNA ของมนุษย์เพียงอย่างเดียวสามารถแก้ไข 39 (= 43%) จากทั้งหมด 90 การกลายพันธุ์ที่ทำให้เกิดโรคที่ทราบ

นักวิจัยสร้าง TALED โดยการหลอมรวมส่วนประกอบที่แตกต่างกันสามส่วน องค์ประกอบแรกคือเอฟเฟกเตอร์เหมือนตัวกระตุ้นการถอดรหัส (TALE) ซึ่งสามารถกำหนดเป้าหมายลำดับดีเอ็นเอได้ องค์ประกอบที่สองคือ TadA8e ซึ่งเป็นอะดีนีนดีอะมิเนสสำหรับอำนวยความสะดวกในการแปลง A-to-G องค์ประกอบที่สาม DddAสารพิษเป็นไซโตซีนดีอะมิเนสที่ทำให้ DNA เข้าถึง TadA8e ได้ง่ายขึ้น

แง่มุมหนึ่งที่น่าสนใจของ TALED คือความสามารถของ TadA8e ในการแก้ไข A-to-G ในไมโตคอนเดรียซึ่งมี DNA แบบสองสาย (dsDNA) นี่เป็นปรากฏการณ์ลึกลับ เนื่องจาก TadA8e เป็นโปรตีนที่ทราบกันว่าจำเพาะต่อ DNA สายเดี่ยวเท่านั้น ผู้กำกับคิมกล่าวว่า “ไม่มีใครเคยคิดที่จะใช้ TadA8e เพื่อทำการแก้ไขเบสในไมโตคอนเดรียมาก่อน เนื่องจากควรจะจำเพาะต่อ DNA สายเดี่ยวเท่านั้น การคิดนอกกรอบนี้ช่วยให้เราประดิษฐ์ได้จริงๆ เล่า”

นักวิจัยตั้งทฤษฎีว่า DddAสารพิษ อนุญาตให้เข้าถึง dsDNA ได้โดยการคลายเกลียวคู่ชั่วคราว กรอบเวลาชั่วขณะแต่ชั่วคราวนี้ช่วยให้ TadA8e ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่ออกฤทธิ์เร็วเป็นพิเศษ ทำการแก้ไขที่จำเป็นได้อย่างรวดเร็ว นอกเหนือจากการปรับแต่งองค์ประกอบของ TALED แล้ว นักวิจัยยังได้พัฒนาเทคโนโลยีที่สามารถแก้ไขทั้ง A-to-G และ C-to-T พร้อมกันได้ เช่นเดียวกับการแก้ไขพื้นฐาน A-to-G เท่านั้น

กลุ่มได้สาธิตเทคโนโลยีใหม่นี้โดยการสร้างโคลนที่ได้มาจากเซลล์เดียวซึ่งมีการแก้ไข mtDNA ที่ต้องการ นอกจากนี้ ยังพบว่า TALEDs ไม่เป็นพิษต่อเซลล์หรือทำให้เกิดความไม่เสถียรใน mtDNA นอกจากนี้ ยังไม่มีการแก้ไขนอกเป้าหมายที่ไม่พึงประสงค์ใน DNA นิวเคลียร์และเอฟเฟกต์นอกเป้าหมายน้อยมากใน mtDNA ขณะนี้นักวิจัยตั้งเป้าที่จะปรับปรุง TALEDs เพิ่มเติมโดยเพิ่มประสิทธิภาพการแก้ไขและความจำเพาะ ในที่สุดก็ปูทางแก้ไขการกลายพันธุ์ของ mtDNA ที่ก่อให้เกิดโรคในตัวอ่อน ทารกในครรภ์ ทารกแรกเกิด หรือผู้ป่วยที่เป็นผู้ใหญ่ กลุ่มนี้ยังมุ่งเน้นไปที่การพัฒนา TALED ที่เหมาะสมสำหรับการแก้ไขเบส A-to-G ใน DNA คลอโรพลาสต์ ซึ่งเข้ารหัสยีนที่จำเป็นในการสังเคราะห์ด้วยแสงในพืช

William I. Suh นักสื่อสารวิทยาศาสตร์ที่ Institute for Basic Science ยกย่องว่า “ฉันเชื่อว่าความสำคัญของการค้นพบนี้เปรียบได้กับการประดิษฐ์ไฟ LED สีฟ้า ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลในปี 2014 เช่นเดียวกับที่ไฟ LED สีฟ้าเป็น จิ๊กซอว์ชิ้นสุดท้ายที่ช่วยให้เรามีแหล่งกำเนิดแสง LED สีขาวที่ประหยัดพลังงานสูง คาดว่า TALED จะนำเข้าสู่ยุคใหม่ของวิศวกรรมจีโนม”

แหล่งที่มา:

สถาบันวิทยาศาสตร์พื้นฐาน

การอ้างอิงวารสาร:

โช, ศรี., และคณะ (2022) การแก้ไขฐาน A-to-G ที่กำหนดเป้าหมายใน DNA ของไมโตคอนเดรียของมนุษย์ด้วยดีอะมิเนสที่ตั้งโปรแกรมได้ เซลล์. doi.org/10.1016/j.cell.2022.03.039.

.

(Visited 1 times, 1 visits today)

Be the first to comment

Leave a comment

Your email address will not be published.


*