מֵידָע

האם נעשה שימוש ב-CRISPR כאשר מדענים משתמשים במערכת CRISPR/Cas9 כדי לערוך גנים?

האם נעשה שימוש ב-CRISPR כאשר מדענים משתמשים במערכת CRISPR/Cas9 כדי לערוך גנים?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

"CRISPR" ו-"Cas9" הם דברים שונים. כאשר וירוס תוקף חיידק, החיידק אוגר את הקוד הנגיפי של הנגיף ב-CRISPR. וכשהנגיף תוקף שוב חלבון Cas9 משתמש ב-RNA ב-CRISPR כדי למצוא את ה-DNA הנגיפי ואז להשמיד אותו.

אז מה התועלת של CRISPR כאשר מדענים משתמשים במערכת CRISPR/Cas9 כדי לערוך גנים, שכן כבר נתנו לחלבון Cas9 RNA מנחה?

סליחה אם זו שאלה טיפשית, אני חדש בהנדסה גנטית ולא הצלחתי למצוא את התשובה בגוגל.


הסבר: איך CRISPR עובד

מדענים משתמשים בכלי בשם CRISPR/Cas9 כדי לערוך DNA.

שתף זאת:

מדענים בדרך כלל נרתעים מהשימוש במילה נֵס. אלא אם כן הם מדברים על הכלי לעריכת גנים בשם CRISPR, כלומר. "אתה יכול לעשות הכל עם CRISPR," יש אומרים. אחרים פשוט קוראים לזה מדהים.

ואכן, זה הדהים כל כך הרבה אנשים וכל כך מהר שרק שמונה שנים אחרי שגילו אותו, ג'ניפר דודנה ועמנואל שרפנטייה לקחו הביתה את פרס נובל לכימיה לשנת 2020.

CRISPR ראשי תיבות של "מקבצים מרווחים קבועים קצרים פלינדרום חוזר". החזרות הללו נמצאות ב-DNA של חיידקים. הם למעשה עותקים של חתיכות קטנות של וירוסים. חיידקים משתמשים בהם כמו אוספים של זריקות ספל כדי לזהות וירוסים רעים. Cas9 הוא an אֶנזִים שיכול לחתוך DNA. חיידקים נלחמים בנגיפים על ידי שליחת האנזים Cas9 לחתוך וירוסים שיש להם זריקת ספל באוסף. מדענים הבינו לאחרונה כיצד חיידקים עושים זאת. כעת, במעבדה, חוקרים משתמשים בגישה דומה כדי להפוך את מערכת הלחימה בנגיפים של החיידק לכלי המעבדה החדש והחם ביותר.

כלי CRISPR/Cas9 זה תואר לראשונה ב-2012 וב-2013. עד מהרה החלו מעבדות מדע ברחבי העולם להשתמש בו כדי לשנות את הגנום של האורגניזם - כל מערך הוראות ה-DNA שלו.

מחנכים והורים, הירשמו לדף הצ'יטס

עדכונים שבועיים שיעזרו לך להשתמש חדשות מדע לסטודנטים בסביבת הלמידה

כלי זה יכול לצבוט במהירות וביעילות כמעט כל גן בכל צמח או חיה. חוקרים כבר השתמשו בו כדי לתקן מחלות גנטיות בבעלי חיים, להילחם בווירוסים ולעקר יתושים. הם השתמשו בו גם להכנת איברי חזיר להשתלות אנושיות וכדי לחזק את השרירים בביגל.

עד כה ההשפעה הגדולה ביותר של CRISPR הורגשה במעבדות ביולוגיה בסיסיות. עורך גנים זול זה קל לשימוש. זה איפשר לחוקרים להתעמק בתעלומות הבסיסיות של החיים. והם יכולים לעשות את זה בדרכים שבעבר היו קשות אם לא בלתי אפשריות.

רוברט ריד הוא ביולוג התפתחותי באוניברסיטת קורנל באיתקה, ניו יורק. הוא משווה את CRISPR לעכבר מחשב. "אתה יכול פשוט לכוון אותו למקום בגנום ואתה יכול לעשות כל מה שאתה רוצה במקום הזה."

בהתחלה, זה אומר כל דבר שהיה כרוך בחיתוך DNA. CRISPR/Cas9 בצורתו המקורית הוא מכשיר בות (החלק של CRISPR) המנחה מספריים מולקולריים (האנזים Cas9) למקטע מטרה של DNA. יחד, הם עובדים כטיל שיוט הנדסי גנטית שמנטרל או מתקן גן, או מכניס משהו חדש במקום שבו מספריים Cas9 עשו כמה חתכים. גרסאות חדשות יותר של CRISPR נקראות "עורכי בסיס". אלה יכולים לערוך חומר גנטי בסיס אחד בכל פעם, מבלי לחתוך. הם יותר כמו עיפרון מאשר כמו מספריים.

ככה זה עובד

מדענים מתחילים עם RNA. זו מולקולה שיכולה לקרוא את המידע הגנטי ב-DNA. ה-RNA מוצא את הנקודה ב- גַרעִין של תא שבו צריכה להתבצע פעילות עריכה כלשהי. (הגרעין הוא תא בתא שבו מאוחסן רוב החומר הגנטי.) מדריך זה RNA רועה את Cas9 לנקודה המדויקת ב-DNA שבו נדרש חיתוך. לאחר מכן Cas9 ננעל על ה-DNA הדו-גדילי ופותח אותו.

זה מאפשר ל-RNA המדריך להתאים לאזור כלשהו של ה-DNA אליו הוא מכוון. Cas9 גוזר את ה-DNA במקום הזה. זה יוצר שבירה בשני הגדילים של מולקולת ה-DNA. התא, שחש בעיה, מתקן את השבר.

תיקון ההפסקה עשוי להשבית גן (הדבר הכי קל לעשות). לחלופין, תיקון זה עשוי לתקן טעות או אפילו להכניס גן חדש (תהליך הרבה יותר קשה).

תאים בדרך כלל מתקנים שבר ב-DNA שלהם על ידי הדבקת הקצוות הרופפים בחזרה יחד. זה תהליך מרושל. לעתים קרובות זה גורם לטעות שמנטרלת גן כלשהו. זה אולי לא נשמע שימושי - אבל לפעמים זה כן.

מדענים חותכים DNA עם CRISPR/Cas9 כדי לבצע שינויים בגנים, או מוטציות. על ידי השוואת תאים עם ובלי המוטציה, מדענים יכולים לפעמים להבין מה התפקיד הנורמלי של חלבון. או שמוטציה חדשה עשויה לעזור להם להבין מחלות גנטיות. CRISPR/Cas9 יכול להיות שימושי גם בתאים אנושיים על ידי השבתת גנים מסוימים - כאלה, למשל, הממלאים תפקיד במחלות תורשתיות.

"ה-Cas9 המקורי הוא כמו אולר שוויצרי עם יישום אחד בלבד: זה סכין", אומר ג'ין יאו. הוא ביולוג RNA באוניברסיטת קליפורניה, סן דייגו. אבל Yeo ואחרים הבריגו חלבונים וכימיקלים אחרים ללהבים העמומים. זה הפך את הסכין לכלי רב תכליתי.

כעת ניתן להשתמש ב-CRISPR/Cas9 וכלים נלווים בדרכים חדשות, כמו שינוי בסיס נוקלאוטיד בודד - אות בודדת בקוד הגנטי - או הוספת חלבון פלואורסצנטי כדי לתייג נקודה ב-DNA שמדענים רוצים לעקוב אחריו. מדענים יכולים גם להשתמש בטכנולוגיית החיתוך וההדבק הגנטית הזו כדי להפעיל או לכבות גנים.

הפיצוץ הזה של דרכים חדשות להשתמש ב- CRISPR לא הסתיים. פנג ג'אנג הוא ביולוג מולקולרי במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס בקיימברידג'. הוא היה אחד המדענים הראשונים שהחזיקו את מספרי Cas9. "התחום מתקדם כל כך מהר", הוא אומר. "רק כשאני מסתכל על כמה רחוק הגענו... אני חושב שמה שנראה בשנים הקרובות יהיה פשוט מדהים".

הסיפור הזה עודכן ב-8 באוקטובר 2020 כדי לציין את החלטת ועדת נובל להעניק לתגלית של CRISPR את פרס 2020 בכימיה.

מילות כוח

יישום שימוש או פונקציה מסוימת של משהו.

בסיס (בגנטיקה) גרסה מקוצרת של המונח נוקלאובס. בסיסים אלו הם אבני בניין של מולקולות DNA ו-RNA.

ביולוגיה חקר היצורים החיים. המדענים שחוקרים אותם ידועים בשם ביולוגים.

Cas9 אנזים שגנטיקאים משתמשים בו כעת כדי לעזור בעריכת גנים. זה יכול לחתוך דרך DNA, לאפשר לו לתקן גנים שבורים, לחבר גנים חדשים או להשבית גנים מסוימים. Cas9 מועבר למקום בו הוא אמור לבצע חתכים על ידי CRISPRs, סוג של מדריכים גנטיים. האנזים Cas9 הגיע מחיידקים. כאשר וירוסים פולשים לחיידק, אנזים זה יכול לחתוך את ה-DNA של החיידקים, ולהפוך אותו ללא מזיק.

תָא היחידה המבנית והתפקודית הקטנה ביותר של אורגניזם. בדרך כלל קטן מכדי לראות בעין בלתי מזוינת, הוא מורכב מנוזל מימי מוקף בקרום או בקיר. בעלי חיים עשויים מאלפי עד טריליוני תאים, תלוי בגודלם. חלק מהאורגניזמים, כגון שמרים, עובשים, חיידקים וכמה אצות, מורכבים מתא אחד בלבד.

כִּימִי חומר הנוצר משני אטומים או יותר המתאחדים (נקשרים יחד) בפרופורציה ובמבנה קבועים. לדוגמה, מים הם כימיקל העשוי משני אטומי מימן הקשורים לאטום חמצן אחד. הסמל הכימי שלו הוא H2O.

CRISPR קיצור - מבוטא פריך - למונח "חזרות פלינדרום קצרות מקובצות באופן קבוע ומרווחות". אלו הם חלקים של RNA, מולקולה נושאת מידע. הם מועתקים מהחומר הגנטי של וירוסים שמדביקים חיידקים. כאשר חיידק נתקל בנגיף שהוא נחשף אליו בעבר, הוא מייצר עותק RNA של ה-CRISPR המכיל את המידע הגנטי של הנגיף. לאחר מכן ה-RNA מנחה אנזים, הנקרא Cas9, לחתוך את הנגיף ולהפוך אותו ללא מזיק. מדענים בונים כעת גרסאות משלהם של CRISPR RNAs. רנ"א אלה מתוצרת מעבדה מנחים את האנזים לחתוך גנים ספציפיים באורגניזמים אחרים. מדענים משתמשים בהם, כמו מספריים גנטיות, כדי לערוך - או לשנות - גנים ספציפיים כך שהם יכולים ללמוד כיצד הגן פועל, לתקן נזקים לגנים שבורים, להכניס גנים חדשים או להשבית גנים מזיקים.

הִתפַּתְחוּתִי (בביולוגיה) שם תואר המתייחס לשינויים שעובר אורגניזם מהתעברות ועד לבגרות. שינויים אלה כרוכים לעתים קרובות בכימיה, גודל ולפעמים אפילו צורה.

DNA (קיצור של חומצה deoxyribonucleic) מולקולה ארוכה, דו-גדילית ובצורת ספירלה בתוך רוב התאים החיים הנושאת הוראות גנטיות. הוא בנוי על עמוד שדרה של זרחן, חמצן ואטומי פחמן. בכל היצורים החיים, מצמחים ובעלי חיים ועד חיידקים, הוראות אלה אומרות לתאים אילו מולקולות ליצור.

הַנדָסָה תחום המחקר העושה שימוש במתמטיקה ומדעים לפתרון בעיות מעשיות.

שדה תחום לימוד, כמו ב: תחום המחקר שלה היה ביולוגיה. גם מונח לתיאור סביבה אמיתית שבה מתבצע מחקר כלשהו, ​​כמו בים, ביער, על ראש הר או ברחוב בעיר. זה ההפך מסביבה מלאכותית, כמו מעבדת מחקר.

ניאון מסוגל לספוג ולהפיץ אור. האור הנפלט מחדש ידוע בשם פלואורסצנטי.

גֵן (adj. genetic) קטע של DNA המקודד, או מכיל הוראות, לייצור חלבון. הצאצאים יורשים גנים מהוריהם. גנים משפיעים על איך אורגניזם נראה ומתנהג.

גנום הסט השלם של גנים או חומר גנטי בתא או באורגניזם. המחקר של תורשה גנטית זו הנמצאת בתוך תאים ידוע בשם גנומיקה.

שְׁרִיר סוג של רקמה המשמשת לייצור תנועה על ידי כיווץ התאים שלה, המכונה סיבי שריר. השריר עשיר בחלבון, וזו הסיבה שמינים טורפים מחפשים טרף המכיל הרבה רקמה זו.

מוּטָצִיָה (v. mutate) שינוי כלשהו המתרחש לגן ב-DNA של אורגניזם. חלק מהמוטציות מתרחשות באופן טבעי. אחרים יכולים להיות מופעלים על ידי גורמים חיצוניים, כגון זיהום, קרינה, תרופות או משהו בתזונה. גן עם שינוי זה מכונה מוטנט.

גַרעִין רבים זה גרעינים. (בביולוגיה) מבנה צפוף הקיים בתאים רבים. בדרך כלל מבנה מעוגל יחיד עטוף בתוך ממברנה, הגרעין מכיל את המידע הגנטי.

אֵיבָר (בביולוגיה) חלקים שונים של אורגניזם המבצעים תפקיד מסוים או יותר. למשל, שחלה היא איבר שמייצר ביצים, המוח הוא איבר שמפרש אותות עצביים ושורשי הצמח הם איברים שמקבלים חומרים מזינים ולחות.

פלינדרום (adj. palindromic) מילה, שם או ביטוי בעלי אותו סדר של אותיות בקריאה קדימה או אחורה. לדוגמה, אַבָּא ו אִמָא שניהם פלינדרומים.

חֶלְבּוֹן תרכובת העשויה משרשרת ארוכות אחת או יותר של חומצות אמינו. חלבונים הם חלק חיוני מכל היצורים החיים. הם מהווים את הבסיס של תאים חיים, שרירים ורקמות הם גם עושים את העבודה בתוך התאים. ההמוגלובין בדם והנוגדנים המנסים להילחם בזיהומים הם בין החלבונים המוכרים יותר, העומדים בפני עצמם. תרופות פועלות לעתים קרובות על ידי היצמדות לחלבונים.

RNA מולקולה המסייעת "לקרוא" את המידע הגנטי הכלול ב-DNA. המנגנון המולקולרי של התא קורא DNA כדי ליצור RNA, ולאחר מכן קורא RNA כדי ליצור חלבונים.

תָג (בביולוגיה) לחבר איזו להקה או חבילת מכשירים מחוספסים על בעל חיים. לפעמים משתמשים בתג כדי לתת לכל אדם מספר זיהוי ייחודי. ברגע שהוא מחובר לרגל, לאוזן או לחלק אחר בגוף של יצור, זה יכול להפוך למעשה ל"שם" של החיה. במקרים מסוימים, תג יכול לאסוף מידע גם מהסביבה סביב החיה. זה עוזר למדענים להבין הן את הסביבה והן את תפקיד החיה בתוכה.

ציטוטים

יומן: S. Wang et al. מערכת תיוג CRISPR בשני צבעים מבוססת RNA-aptamer. דוחות מדעיים. כרך יד. 6, 27 במאי 2016, עמ'. 26857. doi: 10.1038/srep26857.

יומן: א. סי' קומור ואח'. עריכה ניתנת לתכנות של בסיס מטרה ב-DNA גנומי ללא פיצול DNA דו-גדילי. טֶבַע. כרך יד. 533, 19 במאי, 2016, פורסם באינטרנט 20 באפריל, 2016, עמ'. 420. דוי: 10.1038/nature17946.

יומן: D.A. Nelles et al. מעקב אחר RNA ניתן לתכנות בתאים חיים עם CRISPR/Cas9. תָא. כרך יד. 165, 7 באפריל, 2016, עמ'. 488. doi: 10.1016/j.cell.2016.02.054.

על טינה הסמן סיי

טינה הסמן סיי היא כותבת הצוות הבכיר ומדווחת על ביולוגיה מולקולרית. יש לה דוקטורט. בגנטיקה מולקולרית מאוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס ותואר שני בעיתונאות מדעית מאוניברסיטת בוסטון.

משאבים לכיתה עבור מאמר זה למידע נוסף

משאבי מחנכים בחינם זמינים עבור מאמר זה. הירשם כדי לגשת:


כימיה 2020 נובל הולך על CRISPR, הכלי לעריכת גנים

עמנואל שרפנטייה וג'ניפר דודנה המציאו כלי רב עוצמה לעריכת גנים בשם CRISPR/Cas9 (בציור). תוך פחות מעשור היא חוללה מהפכה בגנטיקה מולקולרית ובריפוי גנטי. זה גם זיכה את המדענים בפרס נובל לכימיה לשנת 2020.

Meletios Verras/iStock/Getty Images Plus

שתף זאת:

ג'ניפר דאודנה ועמנואל שרפנטייה עזרו להפוך הגנה חיידקית לאחד הכלים החזקים ביותר בגנטיקה. על מאמציהם, הם קיבלו זה עתה את פרס נובל לכימיה לשנת 2020.

הסבר: פרס נובל

"המספריים הגנטיים התגלו רק לפני שמונה שנים", מציינת פרנילה ויטונג-סטפשדה. היא חברה בוועדת נובל לכימיה. כבר, היא מציינת, המספריים ה"פנטסטיים" הללו יכולים לחתוך DNA היכן שתרצו. בכך, הם "חוללו מהפכה במדעי החיים", היא אומרת. "עכשיו אנחנו יכולים לערוך בקלות גנומים כרצוננו - משהו שלפני כן היה קשה, או אפילו בלתי אפשרי."

Wittung-Stafshede נאמה במסיבת עיתונאים ב-7 באוקטובר בשטוקהולם של האקדמיה המלכותית השוודית למדעים. הפרס הוכרז באירוע זה. "רק הדמיון קובע את הגבולות למה הכלי הכימי הזה יכול לשמש בעתיד", אמרה. "אולי החלום לרפא מחלות גנטיות יתגשם". עם זאת, היא מזהירה שיש להשתמש באתיקה ובחוק כדי להחליט היכן וכיצד יש להשתמש בכלי כה רב עוצמה.

הניצחון היה "צפוי מאוד", מוסיף לואיס אצ'גויין. הוא כימאי באוניברסיטת טקסס באל פאסו ונשיא האגודה האמריקנית לכימיה. למרות שהזמן מהגילוי ועד לפרס נובל הוא בדרך כלל הרבה יותר ארוך, הפרס הזה ל-CRISPR הוא "מזמן", הוא אומר.

Doudna ו-Charpentier יחלקו את הפרס בסך 10 מיליון קרונות שוודיות, כ-1.1 מיליון דולר.

עמנואל שרפנטייה (משמאל) וג'ניפר דאודנה (מימין) חברו יחד כדי להפוך מערכת הגנה חיידקית לעורכת גנים. משמאל: ©Helmholtz/Hallbauer&Fioretti Sam Willard/Sam Willard Photography, Berkeley

למידה מחיידקים

חיידקים וארכיאה השתמשו ב-CRISPR/Cas9 כדי להילחם בווירוסים במשך מיליוני - אולי מיליארדי - שנים.

הסבר: איך CRISPR עובד

CRISPR ראשי תיבות של Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. בעצם, קטעים קצרים וחוזרים אלה של גרסת חיידקי הסנדוויץ' של DNA לרשימת המבוקשים ביותר של ה-FBI: וירוסים פולשים. בכל פעם שחיידקים נתקלים בנגיף, הם מצלמים ממנו ספל DNA ומתיקים אותו בין החזרות. בפעם הבאה שהחיידקים נתקלים בנגיף הזה, הם יוצרים עותקי RNA של זריקות הספל. צילום רנ"א אלה התחברו לחלק אחר של רנ"א. זה ידוע כ-CRISPR RNA המפעיל טרנס, או tracrRNA. והוא שולח עלון כל הנקודות המכונה RNA מדריך. מדריך RNAs ואז מעביר אנזים חיתוך DNA - Cas9 - לנגיף. שם האנזים קוצץ ומבטל את האיום.

מספריים מולקולריים

CRISPR/Cas9 הוא כלי לעריכת גנים בשני חלקים. החלק הראשון מורכב ממדריך גנטי העשוי מ-RNA. החלק השני הוא אנזים, Cas 9, שחותך DNA. ה-RNA המנחה מביא את האנזים לנקודה מסוימת ב-DNA של אורגניזם שחוקרים רוצים לחתוך (ראה את הרצף הממוקד כאן). הנקודה הזו היא התאמה כימית ל-RNA. לאחר שהועבר למקום הנכון, Cas9 גוזר את ה-DNA.

כיצד עובד CRISPR/Cas9

E. אוטוול

אי אוטוול

דודנה עובדת באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי. כיום, שרפנטייה מנהל את מכון מקס פלנק לביולוגיה של זיהום בברלין, גרמניה. השניים נפגשו ב-2011 בכנס בפורטו ריקו. "הסתובבנו בסן חואן העתיקה ודיברנו על CRISPR/Cas9", נזכר דודנה במהלך מסיבת עיתונאים וירטואלית ב-7 באוקטובר. השניים החליטו לחבור לחקור את מערכת ההגנה של חיידקים. בסופו של דבר הם הפכו את זה לעורך גנים.

החידוש שלהם היה למזג את ה-RNA של זריקת הספל ל-tracrRNA. זה יצר RNA מדריך יחיד. והחוקרים הבינו שהצילומים לא חייבים להיות תמונות מולקולריות של וירוסים. במקום זאת, על ידי החלפת זריקת הספל ב-RNA התואם לגן, המדענים יכולים לכוון את Cas9 לחתוך את הגן הזה - או כל גן, באמת.

מחנכים והורים, הירשמו לדף הצ'יטס

עדכונים שבועיים שיעזרו לך להשתמש חדשות מדע לסטודנטים בסביבת הלמידה

חשיבותו הייתה ברורה מלכתחילה

המאמר הגדול שדודנה וצ'רפנטייה פרסמו על כך צוטט יותר מ-9,500 פעמים. זה כמעט פעם בשמונה שעות מאז שיצא לראשונה ב-2012, אומר דיוויד ליו. הוא ביולוג כימי וחוקר המכון הרפואי של הווארד יוז באוניברסיטת הרווארד בקיימברידג', מסצ'וסטס (הוא ואחרים שינו את מערכת ה-CRISPR המקורית כך שחוקרים יוכלו להשתמש בה במגוון דרכים חדשות).

ההבטחה של CRISPR נראתה מיד, אומר סטנלי צ'י. כעת הוא מהנדס ביו וביוטכנולוגיה באוניברסיטת סטנפורד בקליפורניה. אבל הוא היה סטודנט במעבדה של דודנה. שם, היה לו מושב צד לגילוי. וצ'י אומר שהוא ידע אז ש-CRISPR יעשה דברים גדולים. "בשמונה השנים האלה היו כל כך הרבה פריצות דרך והתקדמות", הוא אומר, "זה הרבה מעבר לציפיות שלי".

Doudna ו-Charpentier "המשיכו להסתכל על הקטגוריה הרחבה של אנזימים CRISPR", אומר Qi. עבודתם המתמשכת תרמה תובנות חדשות לגבי האופן שבו מערכת זו התפתחה ופועלת בטבע. Doudna עשתה עבודה כדי להראות איך ה-Cas9 נראה ואיך הוא עובד. עבודתה עזרה למדענים אחרים להפוך את CRISPR למדויק יותר, הוא אומר.

הסבר: מהם גנים?

חוקרים רבים לקחו כעת את המספריים הגנטיים הללו לשלב הבא, תוך שימוש ב-CRISPR/Cas9 כדי לחתוך ולערוך גנים בתאים אנושיים. מדענים מתלהבים על כמה זול וקל השימוש ב-CRISPR. בעזרתו, חוקרים ערכו גנים במגוון רחב של בעלי חיים, כולל כלבים, עכברים, חלזונות, פרות ויתושים.

הכלי שימש גם לקידוד נתונים ואחסון סרטים ב-DNA חיידקי. גם צמחים ופטריות זכו לטיפול CRISPR. ועורך הגנים שימש כדי לתכנת מחדש תאי חיסון אנושיים להילחם בסרטן ולהפוך תאים סרטניים זה לזה.

לחתוך או לא לחתוך? זאת השאלה

עם הכוח הגדול של CRISPR הגיעה מחלוקת גדולה. זה משהו שהזהירו דודנה והמחבר סמואל שטרנברג בספרם משנת 2017 סדק בבריאה: הכוח החדש לשלוט באבולוציה. יש הסבורים שעורך הגנים עשוי לשמש כדי לעזור למינים בסכנת הכחדה או כדי למנוע מיתושים לשאת מחלות. עם זאת, מאמצים כאלה עשויים אפילו להכחיד מינים שלמים או ליצור אסונות אקולוגיים. מדענים כבר חיסלו אוכלוסיות קטנות של יתושים במעבדה.

הכי שנוי במחלוקת, מדען בסין ערך גנים בעוברים אנושיים. הבדיקות הולידו תינוקות תאומים בשנת 2018. תגובה נגד מעשיו הייתה מהירה וקולנית. חלק מהאנשים קראו לאסור על עריכת גנים של תינוקות.

הכוח העצום של CRISPR "פירושו שעלינו להשתמש בו בזהירות רבה", אומר Claes Gustafsson. הוא יושב ראש ועדת נובל לכימיה. "אבל זה לא פחות ברור שזו טכנולוגיה... שתספק למין האנושי הזדמנויות גדולות", אמר במסיבת עיתונאים ב-7 באוקטובר.

כבר עכשיו, נערכים ניסויים קליניים לבדיקת יכולתו של CRISPR/Cas9 לטפל בסרטן, מחלות חרמשיות, עיוורון תורשתי ועוד. אם תצליח, עריכת גנים עשויה לטפל, או אפילו לרפא, מצבים גנטיים שלא ניתן היה לטפל בהם בעבר.

CRISPR אפילו שיחקה תפקיד במגיפת הקורונה. כמה בדיקות אבחון ל-COVID-19 וטיפולים בפיתוח מבוססים על טכנולוגיית CRISPR.

רק חמש נשים מלבד דודנה וצ'רפנטייה זכו אי פעם בפרס נובל בכימיה.

אומר דאודנה: "אני חושב שאצל נשים רבות יש תחושה שהעבודה שלהן לעולם לא תזכה להכרה כפי שהיתה עשויה להיות אילו היו גבר. אני רוצה לראות את השינוי הזה, ואני בהחלט מקווה שזה צעד בכיוון הנכון".

כותבת הצוות מריה טמינג תרמה לסיפור הזה.

מילות כוח

בַּקטֶרִיָה: (adj: חיידקי) אורגניזמים חד-תאיים. אלה שוכנים כמעט בכל מקום על פני כדור הארץ, מקרקעית הים ועד בתוך אורגניזמים חיים אחרים (כגון צמחים ובעלי חיים). חיידקים הם אחד משלושת תחומי החיים על פני כדור הארץ.

מהנדס ביו: מישהו שמיישם הנדסה כדי לפתור בעיות בביולוגיה או במערכות שישתמשו באורגניזמים חיים.

ביולוגיה: חקר היצורים החיים. המדענים שחוקרים אותם ידועים בשם ביולוגים.

ביוטכנולוגיה: מדען שמשתמש בתאים חיים כדי ליצור דברים שימושיים.

Cas9: אנזים שגנטיקאים משתמשים בו כעת כדי לעזור בעריכת גנים. זה יכול לחתוך דרך DNA, לאפשר לו לתקן גנים שבורים, לחבר גנים חדשים או להשבית גנים מסוימים. Cas9 מועבר למקום בו הוא אמור לבצע חתכים על ידי CRISPRs, סוג של מדריכים גנטיים. האנזים Cas9 הגיע מחיידקים. כאשר וירוסים פולשים לחיידק, אנזים זה יכול לחתוך את ה-DNA של החיידקים, ולהפוך אותו ללא מזיק.

תָא: היחידה המבנית והתפקודית הקטנה ביותר של אורגניזם. בדרך כלל קטן מכדי לראות בעין בלתי מזוינת, הוא מורכב מנוזל מימי מוקף בקרום או בקיר. בהתאם לגודלם, בעלי חיים עשויים מאלפי עד טריליוני תאים. רוב האורגניזמים, כמו שמרים, עובשים, חיידקים וכמה אצות, מורכבים מתא אחד בלבד.

כִּימִי: חומר הנוצר משני אטומים או יותר המתאחדים (נקשרים) בפרופורציה ובמבנה קבועים. לדוגמה, מים הם חומר כימי שנוצר כאשר שני אטומי מימן מתחברים לאטום חמצן אחד. הנוסחה הכימית שלו היא H2O. כימיקל יכול להיות גם שם תואר לתיאור תכונות של חומרים שהם תוצאה של תגובות שונות בין תרכובות שונות.

כִּימִיָה: תחום המדע העוסק בהרכב, במבנה ובתכונות של חומרים ובאופן האינטראקציה ביניהם. מדענים משתמשים בידע הזה כדי לחקור חומרים לא מוכרים, כדי לשחזר כמויות גדולות של חומרים שימושיים או כדי לעצב וליצור חומרים חדשים ושימושיים. (על תרכובות) כימיה משמשת גם כמונח המתייחס למתכון של תרכובת, לדרך בה היא מיוצרת או לחלק מתכונותיה. אנשים העוסקים בתחום זה ידועים בתור כימאים. (במדעי החברה) כינוי ליכולת של אנשים לשתף פעולה, להסתדר וליהנות זה מחברתו של זה.

ניסוי קליני: ניסוי מחקרי הכולל אנשים.

מחבר שותף: אחד מקבוצה (שני אנשים או יותר) שיחד הכינו עבודה כתובה, כגון ספר, דו"ח או עבודת מחקר. ייתכן שלא כל המחברים השותפים תרמו במידה שווה.

נגיף קורונה: משפחת וירוסים על שם הדוקרנים דמויי הכתר על פני השטח שלהם (פירושו של קורונה "כתר" בלטינית). קורונה גורמת להצטננות. המשפחה כוללת גם וירוסים שגורמים לזיהומים חמורים בהרבה, כולל SARS.

COVID-19: שם שניתן לנגיף הקורונה שגרם להתפרצות מסיבית של מחלה שעלולה להיות קטלנית, החל מדצמבר 2019. התסמינים כללו דלקת ריאות, חום, כאבי ראש ובעיות נשימה.

CRISPR: קיצור - מבוטא פריך - למונח "חזרות פלינדרום קצרות מקובצות בקביעות ברווחים". אלו הם חלקים של RNA, מולקולה נושאת מידע. הם יכולים להנחות אנזים, הנקרא Cas9, לחתוך דרך חומר גנטי כמו מספריים. בדרך זו, הם יכולים לערוך - או לשנות - גנים ספציפיים כך שיוכלו ללמוד כיצד הגנים הללו פועלים, לתקן נזקים לגנים שבורים, להכניס גנים חדשים או להשבית גנים מזיקים.

DNA: (קיצור של חומצה deoxyribonucleic) מולקולה ארוכה, דו-גדילית ובצורת ספירלה בתוך רוב התאים החיים הנושאת הוראות גנטיות. הוא בנוי על עמוד שדרה של זרחן, חמצן ואטומי פחמן. בכל היצורים החיים, מצמחים ובעלי חיים ועד חיידקים, הוראות אלה אומרות לתאים אילו מולקולות ליצור.

אֵקוֹלוֹגִי: שם תואר המתייחס לענף בביולוגיה העוסק ביחסים של אורגניזמים זה לזה ולסביבתם הפיזית. מדען העוסק בתחום זה נקרא אקולוג.

עוּבָּר: השלבים המוקדמים של אורגניזם מתפתח, או בעל חיים עם עמוד שדרה, המורכב רק אחד או כמה תאים. כשם תואר, המונח יהיה עוברי - וניתן להשתמש בו כדי להתייחס לשלבים המוקדמים או לחייה של מערכת או טכנולוגיה.

בסכנת הכחדה: שם תואר המשמש לתיאור מינים בסכנת הכחדה.

אנזימים: מולקולות שנוצרו על ידי יצורים חיים כדי להאיץ תגובות כימיות.

אֶתִיקָה: (adj. ethical) קוד התנהגות לאופן שבו אנשים מתקשרים עם אחרים וסביבתם. כדי להיות מוסריים, אנשים צריכים להתייחס לאחרים בהגינות, להימנע מרמאות או חוסר יושר בכל צורה שהיא ולהימנע מלקיחת או להשתמש יותר מהחלק ההוגן שלהם במשאבים (כלומר, להימנע מחמדנות). התנהגות אתית גם לא תעמיד אחרים בסיכון מבלי להזהיר אנשים על הסכנות מראש ולגרום להם לבחור לקבל את הסיכונים הפוטנציאליים. מומחים העוסקים בתחום זה ידועים בתור אתיקאים.

אבולוציה: (v. להתפתח) תהליך שבו מינים עוברים שינויים לאורך זמן, בדרך כלל באמצעות שונות גנטית וברירה טבעית. שינויים אלו מביאים בדרך כלל לסוג חדש של אורגניזם המתאים יותר לסביבתו מאשר הסוג הקודם. הסוג החדש יותר אינו בהכרח "מתקדם" יותר, אלא מותאם טוב יותר לתנאים המסוימים שבהם התפתח.

נִכחָד: שם תואר המתאר מין שאין לו איברים חיים.

נתיך: (v.) למזג שני דברים יחד, לעתים קרובות לאורך תפר כלשהו.

גֵן: (adj. גֵנֵטִיקטע של DNA המקודד, או מחזיק הוראות, לייצור חלבון בתא. הצאצאים יורשים גנים מהוריהם. גנים משפיעים על איך אורגניזם נראה ומתנהג.

עריכת גנים: החדרה מכוונת של שינויים בגנים על ידי חוקרים.

גנום: הסט השלם של גנים או חומר גנטי בתא או באורגניזם. המחקר של תורשה גנטית זו הנמצאת בתוך תאים ידוע בשם גנומיקה.

חֲסִין: (adj.) קשור לחסינות. (v.) מסוגל להדוף זיהום מסוים. לחלופין, ניתן להשתמש במונח זה במשמעות שלאורגניזם אינו מראה השפעות מחשיפה לרעל או תהליך מסוים. באופן כללי יותר, המונח עשוי לאותת שמשהו לא יכול להיפגע על ידי תרופה מסוימת, מחלה או כימיקל מסוים.

הַדבָּקָה: מחלה שיכולה להתפשט מאורגניזם אחד לאחר. זה בדרך כלל נגרם על ידי סוג כלשהו של חיידק.

חדשנות: (v. to innovate adj. innovative) התאמה או שיפור לרעיון, תהליך או מוצר קיים שהוא חדש, חכם, יעיל יותר או מעשי יותר.

תוֹבָנָה: היכולת לקבל הבנה מדויקת ועמוקה של מצב רק על ידי חשיבה עליו, במקום למצוא פתרון באמצעות ניסויים.

חַידַק: קיצור של מיקרואורגניזם. יצור חי קטן מכדי לראות בעין בלתי מזוינת, כולל חיידקים, כמה פטריות והרבה אורגניזמים אחרים כמו אמבות. רובם מורכבים מתא בודד.

פרס נובל: פרס יוקרתי על שם אלפרד נובל. הידוע בעיקר כממציא הדינמיט, נובל היה אדם עשיר כאשר מת ב-10 בדצמבר 1896. בצוואתו השאיר נובל חלק גדול מהונו כדי ליצור פרסים לאלה שעשו כמיטב יכולתם למען האנושות בתחומי הפיזיקה, כימיה, פיזיולוגיה או רפואה, ספרות ושלום. הזוכים מקבלים מדליה ופרס כספי גדול.

מגפה: מגיפה הפוגעת בחלק גדול מהאוכלוסייה ברחבי המדינה או העולם.

RNA: מולקולה המסייעת "לקרוא" את המידע הגנטי הכלול ב-DNA. המנגנון המולקולרי של התא קורא DNA כדי ליצור RNA, ולאחר מכן קורא RNA כדי ליצור חלבונים.

מחלת תאי חרמש: מחלה גנטית המשפיעה על יכולת הגוף לייצר המוגלובין תקין - החלבון נושא החמצן בתאי דם אדומים. אנשים עם מחלה זו יורשים גן פגום מכל הורה. לפחות אחד מהגנים האלה גורם לגוף של אדם ליצור את מה שמכונה המוגלובין S. מי שיורש גן המוגלובין-S משני ההורים מפתח את הצורה השכיחה ביותר (ובדרך כלל החמורה) של המחלה: אנמיה חרמשית. הוא משנה את הצורה של כדורית דם אדומה מצורת דיסק לתא נוקשה - או בצורת "מגל". תאים מעוותים אלה אינם חיים כל עוד תאים רגילים. חשוב מכך, הם עלולים להיתקע בכלי דם, ולגרום למשברים כואבים ולצורך בטיפול בבית חולים.

מִין: קבוצה של אורגניזמים דומים המסוגלים להוליד צאצאים שיכולים לשרוד ולהתרבות.

טֶכנוֹלוֹגִיָה: יישום הידע המדעי למטרות מעשיות, במיוחד בתעשייה - או המכשירים, התהליכים והמערכות הנובעים ממאמצים אלו.

וירטואלי: להיות כמעט כמו משהו. אובייקט או מושג שהם למעשה אמיתיים יהיו כמעט אמיתיים או אמיתיים - אבל לא לגמרי. (במחשוב) דברים המבוצעים בעיבוד דיגיטלי או באמצעות האינטרנט ו/או. לדוגמה, ועידה וירטואלית עשויה להיות המקום שבו אנשים השתתפו על ידי צפייה בו דרך האינטרנט.

נגיף: חלקיקים זיהומיות זעירים המורכבים מ-RNA או DNA מוקפים בחלבון. וירוסים יכולים להתרבות רק על ידי הזרקת החומר הגנטי שלהם לתאים של יצורים חיים. למרות שמדענים מתייחסים לעתים קרובות לווירוסים כאל חיים או מתים, למעשה אף וירוס אינו חי באמת. הוא לא אוכל כמו חיות, או מייצר את האוכל שלו כמו שצמחים עושים. הוא חייב לחטוף את המנגנון הסלולרי של תא חי כדי לשרוד.

ציטוטים

הַכרָזָה:​ Nobelprize.org. פרס נובל בכימיה. פורסם באינטרנט ב-7 באוקטובר 2020.

יומן: M. Jinek et al. אנדונוקלאז ה-DNA כפול הניתן לתכנות בחסינות חיידקית אדפטיבית. מַדָע. כרך יד. 337, 17 באוגוסט 2012, עמ'. 816. doi: 10.1126/science.1225829.

על טינה הסמן סיי

טינה הסמן סיי היא כותבת הצוות הבכיר ומדווחת על ביולוגיה מולקולרית. יש לה דוקטורט. בגנטיקה מולקולרית מאוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס ותואר שני בעיתונאות מדעית מאוניברסיטת בוסטון.

משאבים לכיתה עבור מאמר זה למידע נוסף

משאבי מחנכים בחינם זמינים עבור מאמר זה. הירשם כדי לגשת:


מערכות CRISPR-Cas כתגובה חיסונית אדפטיבית

כאשר מערכות CRISPR התגלו לראשונה, חשבו שהן מנגנון חדש לתיקון DNA בארכאות וחיידקים תרמופיליים. [4] בתחילת שנות ה-2000, מוג'יקה ועמיתיו הבחינו שרצפי המרווחים דומים לרצפים שנמצאו בבקטריופאג'ים, וירוסים ופלסמידים. הם גילו שוירוסים אינם יכולים להדביק רצפי מרווחים הומולוגיים המכילים חיידקים, דבר המצביע על כך שרצפים אלו ממלאים תפקיד במערכת החיסון האדפטיבית בפרוקריוטים. [1] בקצרה, כאשר נגיף מדביק פרוקריוט, רצפי המרווחים במערכים של CRISPR מועתקים ליצירת RNA CRISPR קצר (crRNA), המנחה את החלבון הקשור לרצף CRISPR (Cas) לבקע רצפים ויראליים של DNA או RNA משלימים, בהתאם על סוג מערכת CRISPR-Cas. באופן זה, מערכות CRISPR-Cas מתפקדות כמנגנון הגנה למניעת זיהומים חוזרים ונשנים על ידי אותו וירוס.


מה אנחנו עושים עם CRISPR/Cas9?

רוב הניסויים משתמשים בעוברים או בתאים של עכברים שגדלו בצלחות פטרי בנוזל מלאכותי שנועד להיות כמו דם. חוקרים אחרים משנים תאי גזע שעשויים להיות מוזרקים מחדש לחולים כדי לאכלס מחדש איברים פגומים.

רק מעבדות בודדות ברחבי העולם עובדות בפועל עם עוברים אנושיים מוקדמים. מחקר זה מוסדר מאוד ונצפה בקפידה. אחרים עובדים על תאי צמחים, מכיוון שניתן לגדל צמחים שלמים מכמה תאים.

ככל שנלמד יותר, היקף מה שאנחנו יכולים לעשות עם CRISPR/Cas9 ישתפר. אנחנו יכולים לעשות הרבה, אבל כל אורגניזם וכל תא הוא שונה. יתרה מכך, הכל בגוף קשור, ולכן עלינו לחשוב על תופעות לוואי בלתי צפויות ולשקול את האתיקה של שינוי גנים. יותר מכל אנחנו, כחברה, צריכים לדון ולהסכים על מה שאנחנו רוצים להשיג.

קרא את המאמרים האחרים בסדרת הרפואה המדויקת שלנו כאן.


פרס נובל בכימיה זכה לגילוי "מספריים גנטיים" הנקראים CRISPR/Cas9

השנה הוענק פרס נובל לכימיה על גילוי מערכת עריכת הגנים CRISPR/Cas9, אשר אפשרה לראשונה למדענים לבצע שינויים מדויקים בקטעי ה-DNA הארוכים המרכיבים את קוד החיים של אורגניזמים רבים, כולל אנשים. את הפרס חלקו עמנואל שרפנטייה, מיקרוביולוגית ומנהלת יחידת מקס פלנק למדעי הפתוגנים בברלין, וג'ניפר א. דודנה, פרופסור וביוכימאית באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי. המדענים יחלקו את סכום הפרסים של 10 מיליון קרונות שוודיות, או קצת יותר מ-1.1 מיליון דולר.

כלי CRISPR זה, המתואר לעתים קרובות כ"מספריים גנטיות", שימש את חוקרי הצמחים לפיתוח יבולים העומדים בפני מזיקים ובצורת, והוא יכול לשנות את החקלאות. ברפואה, השיטה מעורבת בניסויים קליניים בטיפולים חדשים בסרטן. וחוקרים מנסים להשתמש בו כדי לרפא מחלות תורשתיות מסוימות. &ldquo זה נמצא בשימוש בכל רחבי המדע, &rdquo אומר קלייס גוסטפסון, יו"ר ועדת נובל לכימיה.

לפני כמעט עשור גילה שרפנטייה מולקולה שלא הייתה ידועה בעבר, tracrRNA, בחיידקים. היא למדה שהמולקולה הזו הייתה חלק ממערכת חיסונית בחיידקים שעוזרת להם להדוף וירוסים על ידי ביקוע DNA ויראלי. המנגנון בו משתמשים החיידקים לשם כך נקרא CRISPR. At about the same time, Doudna was mapping the cas proteins, a series of enzymes associated with CRISPR that snip apart DNA at specific spots. The two scientists began collaborating in 2011, after meeting at a conference in Puerto Rico where they went to a café in San Juan and talked about the overlap in their work. They succeeded in making these genetic scissors in a laboratory, and in reprogramming them to cut DNA at whatever spot the scientists selected.

This is the first time the chemistry Nobel has gone to two women. Charpentier, reached by phone this morning, said, &ldquoI&rsquom very happy this prize goes to two women. I hope it provides a positive message for young girls, young women, who wish to follow the path of science.&rdquo Doudna, speaking at a press conference earlier today, echoed that thought. &ldquoI&rsquom delighted to inspire the next generation, if possible,&rdquo she said.

Luis Echegoyen, president of the American Chemical Society, notes that &ldquofor a long time women have been nominated, but few have obtained the prize.&rdquo The Nobels began in 1901, and there were only five female winners in chemistry before Charpentier and Doudna. This disparity reflected a bias against women rather than the quality of their science, Echegoyen says. Times may be changing, however: Frances Arnold of the California Institute of Technology won the chemistry award in 2018 for her work on directed evolution.

CRISPR &ldquois very selective, very exquisite chemistry,&rdquo Echegoyen says. &ldquoKnowing the chemistry behind things allows you to control the biology. And it lets you understand the different functions of genes. Charpentier and Doudna were absolutely at the core of this discovery.&rdquo A third scientist, Feng Zhang of the Broad Institute of the Massachusetts Institute of Technology and Harvard University, has also claimed major credit for work on CRISPR&rsquos discovery and use. And the dispute is currently being waged in legal battles over U.S. patents. But the Nobel committee did not mention Zhang and focused solely on Charpentier and Doudna. The duo has been on a prizewinning streak: During the past five years, the two won a Breakthrough Prize in Life Sciences, a Wolf Prize in Medicine and a Kavli Prize in Nanoscience (that last award was shared with Virginijus &Scaronik&scaronnys, a biochemist who worked on CRISPR independently.) They were also named Japan Prize winners.

The Nobel chemistry committee felt that Charpentier and Doudna&rsquos work, though relatively recent, &ldquohad already benefited humankind greatly,&rdquo said committee member Pernilla Wittung Stafshede during today&rsquos announcement. There are already many dozens of applications. Angela Zhou, an information scientist at CAS (Chemical Abstracts Service), a division of the American Chemical Society that tracks discoveries and technologies in that field through mentions in journals and patents, says a few of them stand out. CRISPR, she says, has been used to &ldquomodify immune cells to make them more effective at destroying cancer cells and to remove the HIV virus when it has integrated itself into the human genome. And CRISPR-based drugs are being developed to treat heart disease, blood disorders and blindness.&rdquo

In her press conference, Doudna said that it is relatively easy to get the genome editing molecules into eye cells and blood cells, so genetic eye diseases and blood illnesses such as sickle cell disease are most amenable to CRISPR-based therapies. &ldquoFurther out, it can be used on neurodegenerative diseases, where there is a great need,&rdquo she said. Amid the COVID-19 pandemic, the technology is being used to develop diagnostic tests to detect the novel coronavirus. Charpentier also noted that CRISPR is now being employed in basic research on the virus to search for molecules that help the pathogen replicate.

The use of CRISPR has generated significant controversy in addition to plaudits, Doudna acknowledged. Scientists have utilized the technique to edit genes in human sperm and egg cells. And a researcher in China used gene editing on viable human embryos, creating a storm of condemnation and worry about babies &ldquodesigned&rdquo to have particular qualities. &ldquoIt&rsquos important to have responsible use of this technology in the future,&rdquo said Doudna, who has been involved in scientific groups that have crafted ethical guidelines. She supports making careful changes to sperm and egg cells for therapeutic purposes&mdashto prevent inherited diseases&mdashbut opposes employing CRISPR or related techniques for human enhancement.

Both scientists said they were not expecting to hear from Sweden this morning. Charpentier, calling in to the Nobel announcement, acknowledged that her name and Doudna&rsquos had surfaced as potential winners in recent years. &ldquoIt was mentioned to me a number of times, perhaps more than I would like,&rdquo she said. Still, she noted, she had not thought this would be her year. &ldquoWhen I got the call this morning I was very emotional. I was surprised,&rdquo Charpentier said. But &ldquoit&rsquos real now.&rdquo

Editor&rsquos Note (10/7/20): This article has been updated after posting to include comments from Luis Echegoyen, Pernilla Wittung Stafshede and Jennifer A. Doudna.


מבוא

The development of high precision genome editing tools like targeted nucleases has accelerated advances in fundamental plant science and crop breeding (Zhang, Massel, Godwin, & Gao, 2018 ). Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR), and its CRISPR-associated protein (Cas), is an RNA-guided nuclease developed from the microbial adaptive immune system by repurposing for genome editing (Barrangou & Marraffini, 2014 ). CRISPR-Cas technologies can facilitate efficient genome engineering within eukaryotic cells (Komor, Badran, & Liu, 2017 ). Precise targeting of the Cas9 protein is achieved by specifying a 20-nucleotide (nt) targeting sequence within its single guide RNA (sgRNA Ran et al., 2013 ). The application of genome editing tools such as CRISPR-Cas9 in genetic studies and for engineering crops with desirable traits has become a major focus of plant scientists and precision plant breeders alike (Borrill, 2020 ). The induction of targeted site-specific double stranded breaks in DNA and the subsequent repair through direct ligation sometimes results in errors such as insertions or deletions (indels) leading to a loss of gene function (knockouts Rodgers & McVey, 2016 ).

Modern domesticated wheats are derivatives from ancient hybridization events between ancestral progenitor species. The two most extensively cultivated wheats are the tetraploid durum or pasta wheat (Triticum turgidum ssp. durum L.) and hexaploid bread wheat (Triticum aestivum L.) (Matsuoka, 2011 ). Both species have large genomes—durum, ∼12 and hexaploidy, ∼16 Gbp—consisting mostly of repetitive elements. Within these polyploid species each gene usually exists as two copies in the tetraploid durum wheat or as three in hexaploid bread wheat. Homoeologous gene copies are usually highly conserved in gene structure and sequence among the subgenomes (>95% Adamski et al., 2020 ).

The first reported use of CRISPR-Cas9 to produce a stably genome edited wheat plant was the targeted knockout of the Mildew Locus O (Mlo), conferring resistance to the powdery mildew pathogen Blumeria graminis f.sp. tritici (Bgt), this was achieved in combination with an earlier gene editing technology, transcription activator-like effector nucleases (TALEN Wang et al., 2014 ). Since this first report, wheat genes of agronomical and fundamental scientific interest have been targeted using CRISPR-Cas9 technology, such as α-gliadin genes to lower gluten grain content (Sánchez-León et al., 2018 ), TaGW2 to increase grain weight (Zhang, Li, et al., 2018 ), TaZIP4-B2 to understand meiotic homologous crossover (Rey et al., 2018 ), TaQsd1 to reduce preharvest sprouting (Abe et al., 2019 ), TaMTL ו CENH3 for haploid plant induction (Liu et al., 2019 Lv et al., 2020 ).

Here, we describe experimentally derived protocols for the selection of sgRNA targets, construct assembly, and screening analysis for genome editing in hexaploid wheat.


Tool for gene discovery

Scientists have long sought after this sort of genome editing tools for living cells. Two other technologies, called zinc-finger nucleases and TALEN (transcription activator-like effector nuclease) are available to achieve the same result. However, the CRISPR technology is much easier to generate and manipulate. This means that most biological research laboratories can carry out the CRISPR experiments.

As a result, CRISPR technology has been quickly adopted by scientists all over the world and put it into various tests. It has been demonstrated to be effective in genome editing of most experimental organisms, including cells derived from insects, plants, fish, mice, monkeys and humans.

Such broad successes in a short period of time imply we’ve arrived at a new genome editing era, promising fast-paced development in biomedical research that will bring about new therapeutic treatments for various human diseases.

Jennifer Doudna from the University of California Berkeley, who was one a co-inventor of the CRISPR, recently called for caution in using the gene-editing technology on human cells. US Department of Energy

The CRISPR technology offers a novel tool for scientists to address some of the most fundamental questions that were difficult, if not impossible, to address before.

For instance, the whole human genomic DNA sequence had been deciphered many years ago, but the majority of information embedded on the DNA fragments are largely unknown. Now, the CRISPR technology is enabling scientists to study those gene functions. By eliminating or replacing specific DNA fragments and observing the consequences in the resulting cells, we can now link particular DNA fragments to their biological functions.

Recently, cells and even whole animals with desired genome alterations have successfully been generated using the CRISPR technology. This has proven highly valuable in various biomedical research studies, such as understanding the cause and effect relationship between specific DNA changes and human diseases. Studying DNA in this way also sheds light on the mechanisms underlying how diseases develop and provides insights for developing new drugs that eliminate specific disease symptoms.

With such profound implications in medical sciences, many biotech and pharmaceutical companies have now licensed the CRISPR technology to develop commercial products.

For example, a biotech company, Editas Medicine, was founded in 2013 with the specific goal of creating treatments for hereditary human diseases employing the CRISPR technology.

However, products derived from the use of CRISPR technology are yet to hit the market with FDA approval.


What is CRISPR?

CRISPR is a technology that can be used to edit genes and, as such, will likely change the world.

The essence of CRISPR is simple: it’s a way of finding a specific bit of DNA inside a cell. After that, the next step in CRISPR gene editing is usually to alter that piece of DNA. However, CRISPR has also been adapted to do other things too, such as turning genes on or off without altering their sequence.

There were ways to edit the genomes of some plants and animals before the CRISPR method was unveiled in 2012 but it took years and cost hundreds of thousands of dollars. CRISPR has made it cheap and easy.

CRISPR is already widely used for scientific research, and in the not too distant future many of the plants and animals in our farms, gardens or homes may have been altered with CRISPR. In fact, some people already are eating CRISPRed food.

Advertisement

CRISPR technology also has the potential to transform medicine, enabling us to not only treat but also prevent many diseases. We may even decide to use it to change the genomes of our children. An attempt to do this in China has been condemned as premature and unethical, but some think it could benefit children in the future.

CRISPR is being used for all kinds of other purposes too, from fingerprinting cells and logging what happens inside them to directing evolution and creating gene drives.

The key to CRISPR is the many flavours of “Cas” proteins found in bacteria, where they help defend against viruses . The Cas9 protein is the most widely used by scientists. This protein can easily be programmed to find and bind to almost any desired target sequence, simply by giving it a piece of RNA to guide it in its search.

When the CRISPR Cas9 protein is added to a cell along with a piece of guide RNA, the Cas9 protein hooks up with the guide RNA and then moves along the strands of DNA until it finds and binds to a 20-DNA-letter long sequence that matches part of the guide RNA sequence. That’s impressive, given that the DNA packed into each of our cells has six billion letters and is two metres long.

What happens next can vary. The standard Cas9 protein cuts the DNA at the target. When the cut is repaired, mutations are introduced that usually disable a gene. This is by far the most common use of CRISPR. It’s called genome editing – or gene editing – but usually the results are not as precise as that term implies.

CRISPR can also be used to make precise changes such as replacing faulty genes – true genome editing – but this is far more difficult.

Customised Cas proteins have been created that do not cut DNA or alter it in any way, but merely turn genes on or off : CRISPRa and CRISPRi respectively. Yet others, called base editors, change one letter of the DNA code to another .

So why do we call it CRISPR? Cas proteins are used by bacteria to destroy viral DNA. They add bits of viral DNA to their own genome to guide the Cas proteins, and the odd patterns of these bits of DNA are what gave CRISPR its name: clustered regularly interspaced short palindromic repeats. Michael Le Page


קָשׁוּר

מכון ויס
המרכז למדעי החיים Bldg.
3 Blackfan Circle
בוסטון, MA 02115
מפה והוראות הגעה


צפו בסרטון: New Mini-CRISPR Systems Could Dramatically Expand the Scope of Gene Therapy (נוֹבֶמבֶּר 2022).