CRISPR / Cas คืออะไร สรุปเบื้องต้น เข้าใจง่ายๆ ใน 3 นาที

     


CRISPR/Cas เป้าหมายในการออกแบบยาใหม่ ๆ ที่มุ่งเป้าที่การตัด DNA ในช่วง 5 ปีที่ผ่านมา มีงานวิจัยตีพิมพ์กว่าพันฉบับ สรุปความเข้าใจแบบพื้นฐาน บทความนี้จะเล่าให้คุณฟังว่า CRISPR/Cas คืออะไร

CRISPR/Cas

Note: CRISPR อ่านว่า คริสเปอร์ ย่อมาจาก Clustered Regulary Interspaced Short Palindromic Repeat

(Palindromic Repeat คือ ลำดับเบสของ DNA ที่ซ้ำ ๆ กันในส่วนนี้สามารถอ่านจากซ้ายไปขวาหรือขวาไปซ้ายได้เหมือนกัน) | Cas มาจากคำว่า CRISPR-associated protein

ในฐานะเภสัชกร เราอาจจะเคยได้ยินคนแชร์ หรือ พูดถึงว่ากำลังทำงานวิจัยเกี่ยวกับ CRISPR/Cas กันอยู่บ้างในช่วง 2-3 ปีให้หลังมานี้ มีงานวิจัยตีพิมพ์เป็นหลักพันฉบับ การจะไปอ่านเองก็รู้สึกว่ายาวและปัจจุบันอาจจะไม่ได้อยู่ในวงการงานวิจัยที่จะอ่านแล้วเข้าใจเบื้องหลังได้เร็ว ถ้าต้องการเข้าใจแบบเบื้องต้น บทความนี้จะเล่าให้คุณฟัง CRISPR/Cas คืออะไร

CRISPR/Cas System คือ ระบบภูมิคุ้มกันของแบคทีเรีย ที่ทำหน้าที่จัดการกับ DNA ที่บุกรุกเข้ามา ซึ่ง DNA ที่เข้ามาบุกรุกนี้ก็อาจจะมาจากไวรัส (barteriophage) ที่ปล่อย DNA เข้ามาเพื่อหวังจะให้แบคทีเรียที่ติดเชื้อใช้ส่วนของ DNA ที่บุกรุกเข้ามานี้ผลิตไวรัสเพิ่มจำนวนตามออกมา โดยอาศัยการ transcription และ translation ของแบคทีเรีย ดังนั้นแล้วเพื่อให้ตัวเองอยู่รอดแบคทีเรียจึงต้องมีกลไกที่เอาไว้ตัดและกำจัด DNA ที่แปลกปลอมส่วนนี้ออกไปในรูปแบบของ “เอนไซม์

เอนไซม์ที่ตัด DNA นั้นมีสองกลุ่มหลัก ๆ ได้แก่

1. Restriction-modification (R-M) คือ แบบที่มีลำดับเบสของ DNA ที่จะตัดเจาะจงแบบตายตัว หาก DNA แปลกปลอมที่เข้ามามีลำดับเบสตรงกับลำดับเบสของเอนไซม์นี้ DNA ก็จะถูกตัดทำลายไป

2. CRISPR-Cas คือ แบบที่ลำดับเบส DNA ที่จะถูกตัดเปลี่ยนแปลงไปตามประสบการณ์ของแบคทีเรีย โดยแบคทีเรียที่โดนบุกแล้วรอดชีวิตก็จะเก็บชิ้นส่วน DNA ของไวรัสนั้น ๆ ไว้ในจีโนมในส่วนที่เรียกว่า CRISPR โดย CRISPR จะประสานส่งต่อการทำงานผ่าน complex ของ crRNA และ trancrRNA เพื่อกำกับให้ Cas ไปตัดลำดับ DNA ที่เหมือนกับชิ้นส่วนบน CRISPR เพราะฉะนั้นหากแบคทีเรียโดนบุกซ้ำด้วยไวรัสเดิม Cas ก็จะสามารถตัดและกำจัด DNA ของไวรัสนั้นออกไปได้

การปรับแต่ง DNA นั้น ทำได้หลากหลายรูปแบบ เช่น การตัดลำดับ DNA ทิ้ง (Knockout) การแก้ไขยีน (gene editing) การใส่ยีนเพิ่ม (Knockin) ซึ่งการใส่ยืนเพิ่มนั้น ทำได้โดยการเพิ่ม donor DNA หรือลำดับเบสที่ส่วนเชื่อมต่อคล้ายกับส่วนที่ตัดเข้าไปในเซลล์ด้วย เพื่อให้หลังจากการตัดแล้ว เซลล์จะนำ donor DNA เข้ามาเชื่อมต่อในจุดที่ถูกตัดและขาดไป

กลไกในการควบคุมการตัดนั้น จะต้องออกแบบตัวกำหนดเป้าหมาย นั่นคือ guide RNA ซึ่งได้มาจากการนำ crRNA และ transcrRNA มาเชื่อมติดกันเป็น complex โดยในการออกแบบ gRNA นั้นจะต้องคำนึงถึง spacer หรือลำดับเบสที่ตรงกับ DNA จะไปตัดบน Cas protein และ PAM คือ ลำดับเบส 3 ตัว ที่จำเพาะใน Cas ซึ่งแบคทีเรียแต่ละชนิดจะแตกต่างกัน ทำให้ความสามารถในการรองรับลำดับเบสมีความหลากหลายได้มากน้อยไม่เท่ากันขึ้นกับข้อจำกัดของ Cas  

Cas มีทั้งหมดหลายชนิดด้วยกัน แต่ Cas9 จาก Staphylococcus pyogenes (SpCas9) เป็นตัวแรกที่ถูกนำมาใช้นอกเซลล์แบคทีเรีย เช่น นำมาใช้ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม แต่ SpCas9 ก็มีข้อจำกัดของ PAM ทำให้ลำดับเบสที่สามารถตัดได้มีจำกัด บังคับว่าจะต้องมี 5′-NGG อยู่ใกล้กับลำดับที่ต้องการตัด โดย NGG หมายถึงลำดับเบสที่เริ่มต้นด้วยเบสอะไรก็ได้แต่ต้องตามต่อมาด้วย GG อย่างไรก็ตาม Cas9 ในแบคทีเรียสายพันธุ์อื่นก็จะมีข้อจำกัดที่แตกต่างกันออกไป เช่น Cas9 จาก Streptococcus thermophiles (StCas9) PAM คือ NNAGAAW, Cas9 จาก Neisseria meningitides (NmCas9) PAM คือ NNNNGATT)

ปัจจุบันมีความพยายามในการออกแบบ crRNA และควบคุม Cas เพื่อใช้ในการรักษาโรคทางพันธุกรรมหรือโรคที่มีผลมาจากการเปลี่ยนแปลงของพันธุกรรมกันอย่างขะมักเขม้น ในอนาคตอันใกล้เราอาจจะได้พบกับยาชีววัตถุที่เป็น CRISPR/Cas ให้ได้ศึกษาข้อมูล และให้คำแนะนำต่อบุคคลากรทางการแพทย์ในฐานะเภสัชกรก็เป็นได้

ThaiYPGrow x เภสัชแว่นใส

ติดตามบทความ #เภสัชพัฒนางาน #เภสัชพัฒนาคน #เภสัชพัฒนาตนเอง 

ได้ที่แฟนเพจ Thaiypgrow We Grow Together, Thai Pharmacist

Twitter @Thaiypgrow 

และเว็บไซต์ www.thaiypgrow.com

อ้างอิง

  1. Pickar-Oliver, A., Gersbach, C.A. The next generation of CRISPR–Cas technologies and applications. Nat Rev Mol Cell Biol 20, 490–507 (2019) doi:10.1038/s41580-019-0131-5