החיידק שהמציא מספריים ל-DNA

וירוס קטן נוחת על חיידק.

לא כמו חללית נוצצת עם מוזיקה דרמטית. יותר כמו פורץ עם רגליים של שולחן וכישורי נימוס של שואב אבק. הוא נצמד לדופן החיידק ומזריק פנימה DNA: דף הוראות שמנסה להפוך את התא למפעל לייצור עוד וירוסים.

לחיידק אין מוח, אין משקפי שמש של סוכן חשאי, ואין ועד בית עצבני שצועק בחדר מדרגות. ועדיין, לחלק מהחיידקים יש טריק שנשמע כאילו נכתב אחרי יותר מדי סרטי ריגול: הם לוקחים חתיכה קטנה מה-DNA של הפולש ושומרים אותה בתוך ה-DNA שלהם.

זה בערך כמו להדביק תמונה של פורץ על הקיר. רק שהקיר עשוי מקוד חי, התמונה היא רצף DNA, והפורץ הוא וירוס שבא להפוך אותך למכונת שכפול. ביולוגיה, כרגיל, לוקחת רעיון משונה ואז מתנהגת כאילו זה קלסר משרדי רגיל.

הפעם החיידק שומר תמונה

לווירוסים שתוקפים חיידקים קוראים פאג׳ים. פאג׳ לא צריך להיות גדול כדי להיות חצוף. הוא מזריק חומר גנטי, והתא החיידקי עלול להתחיל לייצר עוד פאג׳ים במקום לעשות את העבודה החיידקית הרגילה שלו: לחיות, להתחלק, ולהעמיד פנים שהעולם אינו מלא מחטים זעירות עם DNA.

במערכת CRISPR, חלק מהחיידקים שומרים קטעים קצרים מ-DNA של פולשים קודמים. לקטעים האלה קוראים ספייסרים. הם יושבים בין רצפי DNA חוזרים, כמו קלסר אבטחה גנטי מלא תמונות מבוקשים. קלסר כזה לא היה עובר בדיקת תיק בבית ספר, אבל לחיידק הוא יכול להציל את החיים.

הסקירה המדעית שעליה נשענים כאן מתארת את CRISPR כחלק ממערכת חיסון מסתגלת של יצורים פרוקריוטיים, כלומר יצורים כמו חיידקים, בלי גרעין תא כמו בתאים שלנו. רצפים חוזרים כאלה זוהו כבר ב-1987 בחיידק Escherichia coli. אחר כך הבינו שהרווחים ביניהם, הספייסרים, יכולים להגיע מווירוסים או מפלסמידים, טבעות DNA קטנות שיכולות לעבור בין תאים.

במילים פחות מעונבות: מה שנראה בהתחלה כמו דוגמת טפט משעממת ב-DNA התגלה כארכיון חשודים.

בקיצור

• check_circleפאג׳ הוא וירוס שתוקף חיידקים ומזריק להם DNA.
• check_circleCRISPR התחיל כמערכת זיכרון והגנה: החיידק שומר ספייסרים מפולשים קודמים.
• check_circleCas9 הוא החלבון החותך, אבל RNA מדריך אומר לו לאן ללכת.
• check_circleעריכת גנים ניתנת לתכנות אינה קסם: כתובת דומה מדי עלולה לגרום לחיתוך במקום הלא נכון.

כשהמזכרת מתחילה לעבוד

מזכרת לבד לא עוצרת פורץ. אלבום תמונות לא קופץ מהמדף ומפיל מישהו לרצפה, אלא אם זה אלבום משפחתי כבד במיוחד.

כאן הזיכרון הופך להגנה. לפי הסקירה, ניסויים מ-2007 תמכו בתפקיד ההגנתי של CRISPR: אחרי שחיידקים נחשפו לפאג׳ים, הם שילבו ספייסרים חדשים בגנום שלהם. אחר כך, הרגישות שלהם להדבקה חוזרת השתנתה לפי הספייסרים שהיו להם.

כלומר, אם לחיידק יש בארכיון חתיכה שמתאימה לפולש, ההתקפה הבאה לא מתחילה מאפס. התא יכול להשוות בין מה שנכנס עכשיו לבין מה שנשמר פעם. זה רגע יפה לביולוגיה ורגע מביך לווירוס: ראינו אותך כבר. לא התגעגענו.

אבל עדיין חסר מישהו שיעשה פעולה. קלסר מבוקשים לא רץ במסדרון עם אזיקים. מי לוקח את הזיכרון והופך אותו לחיתוך?

הפתק שמוביל את המספריים

כאן נכנס Cas9, החלבון שהפך לכוכב של עריכת גנים. כדי שלא יעלה לו לראש: Cas9 הוא לא גאון נינג׳ה ולא קוסם שמריח DNA בעיניים עצומות. הוא מאבטח עם מספריים. מאבטח רציני, אבל די חסר יוזמה בלי פתק.

במערכת CRISPR-Cas9 מסוג II, הסקירה מתארת חלבון מרכזי אחד, Cas9, שעובד עם שני סוגי RNA מדריכים: crRNA ו-tracrRNA. ה-crRNA הוא חלק הכתובת, הרצף שמתאים ל-DNA מסוים. ה-tracrRNA הוא העוזר שמאפשר למערכת להשתמש בהכוונה הזאת. כן, השמות נשמעים כאילו מישהו נרדם על מקלדת. הפואנטה פשוטה יותר: אחד מביא את כתובת המטרה, השני עוזר להפוך את ההכוונה לשימושית.

ואז מדענים עשו דבר אנושי מאוד: לקחו מערכת מסובכת וקיפלו לה את הניירת. הם הנדסו מולקולת הדרכה אחת, single guide RNA או sgRNA, שמחברת את שני המדריכים למדריך יחיד. פחות אלגנטי מקסם, הרבה יותר שימושי.

כשמשנים חלק קטן ברצף של ה-sgRNA, אפשר לכוון את Cas9 לרצף DNA אחר. זה רגע התכנות: Cas9 לא נהיה חכם יותר. פשוט החליפו לו את הכתובת על הפתק.

התג הקטן ליד הדלת

גם כתובת טובה לא מספיקה. Cas9 צריך לראות ליד המטרה סימן קצר בשם PAM: רצף של 2 עד 5 זוגות בסיסים שנמצא סמוך למקום החיתוך. במטאפורת האבטחה שלנו, PAM הוא תג קטן ליד הדלת. בלי התג, המאבטח לא אמור להתחיל לגזור קירות. סוף סוף בירוקרטיה עם תועלת.

כשה-RNA המדריך מתאים וה-PAM נמצא, Cas9 יכול לחתוך את שני גדילי ה-DNA. לפי הסקירה, בתוך Cas9 יש שני אזורי חיתוך: HNH חותך את הגדיל המשלים, ותחום דמוי RuvC חותך את הגדיל הלא-משלים.

אלה לא באמת מספריים מצוירים. אלה חלקים בחלבון שמבצעים חיתוך כימי. אבל המטאפורה מחזיקה: יש כתובת, יש תג ליד הדלת, ואז יש חיתוך. רק שהדף כאן הוא לא נייר. הוא קוד חי בתוך תא.

רגע, זה אומר שאפשר לערוך כל דבר?

כאן הסיפור נהיה אנושי יותר. גנים הם קטעי DNA שתאים משתמשים בהם כהוראות לבניית חלבונים ולניהול חיים תאיים. עריכת גנים היא ניסיון לשנות את הקוד הזה במקום מסוים. לא לפתוח תפריט סודי של יצור חי ולבחור צבע עיניים, זיכרון לפסנתר ויכולת לסדר מדיח בלי להתלונן. יותר כמו להיכנס למשפט אחד בתוך ספר עצום, ולנסות לתקן אות בלי להפיל את הספר מהשולחן.

בגלל זה CRISPR כל כך חשוב למחקר. אם אפשר לתכנת RNA מדריך, אפשר לשלוח את Cas9 לבדוק מקום מסוים ב-DNA. זה שימושי למדענים שרוצים להבין מה גן עושה, לבנות מודלים של מחלות בתאים, ולחשוב בזהירות על טיפולים עתידיים.

אבל ניתן לתכנות לא אומר מושלם. גם GPS אומר לפעמים לפנות לתוך חניון שאין בו יציאה, ו-GPS לפחות לא מחזיק מספריים מולקולריים.

כשכתובת דומה מדי עושה צרות

אם ה-RNA המדריך דומה מספיק לכתובת לא נכונה, Cas9 עלול לחתוך במקום שלא רצינו. זה נקרא off-target mutation: שינוי מחוץ למטרה. ב-DNA, קרוב מספיק הוא משפט גרוע. בערך כמו שליח שהביא פיצה לבית ליד, רק שהפיצה היא מספריים מולקולריים.

הסקירה מזהירה שמוטציות לא צפויות מחוץ למטרה הן בעיית בטיחות בשימוש רפואי, כי הן עלולות לפגוע בתפקוד של תאים או להפוך אותם למסוכנים. היא גם מדגישה ששיטת ההעברה לתאים וכמה זמן Cas9 פעיל יכולים להשפיע על חיתוכים לא רצויים ועל תגובות חיסוניות.

כלומר, השאלה אינה רק האם מצאנו מספריים. השאלה היא איך מכניסים אותן לתא הנכון, כמה זמן הן נשארות שם, והאם הן מפסיקות לעבוד לפני שהן מתחילות להתנהג כמו עובד חדש שממש רוצה להרשים.

מה באמת בדקו?

כאן מכבים רגע את הטריילר ומסתכלים על הקרדיטים. המקור הוא סקירת עמיתים משנת 2017 בשם CRISPR-Cas9: a promising tool for gene editing on induced pluripotent stem cells, מאת Eun Ji Kim, Ki Ho Kang ו-Ji Hyeon Ju, שפורסמה ב-The Korean Journal of Internal Medicine.

זו סקירה, לא הניסוי המקורי שהפך את CRISPR-Cas9 לכלי עריכה מתוכנת, ולא ניסוי קליני שמוכיח טיפול רחב בבני אדם. היא מסכמת מנגנונים ורעיונות מחקריים: רצפים חוזרים שזוהו ב-E. coli ב-1987, ספייסרים שמקורם יכול להיות ויראלי או פלסמידי, ניסויי 2007 שתמכו בתפקיד ההגנתי של CRISPR, ותיאור של Cas9, RNA מדריך, sgRNA, PAM וחיתוך שני גדילי DNA.

הסקירה מתמקדת גם בתאי גזע מושרים, iPSCs: תאים בוגרים שמדענים מחזירים במעבדה למצב גמיש יותר כדי לחקור מחלות ולבדוק רעיונות טיפוליים. זה כלי מחקר חזק. זה לא רישיון לצעוק שכל מחלה תיערך מחר בבוקר לפני הכריך.

איפה הקסם נגמר והביולוגיה מתחילה

CRISPR לא מוכיח תינוקות מעוצבים. הוא לא עצה רפואית. הוא לא אומר שכל גן הוא כפתור אחד, שכל מחלה היא שגיאת הקלדה אחת, או שכל תא יסכים בשקט שמישהו נכנס לו לקוד עם מספריים.

הסקירה מתארת רעיונות של עריכה בתאי גוף, עריכה מחוץ לגוף ואז החזרת תאים, וגם עריכה בתוך הגוף. אבל היא חוזרת לבעיות קשות: בטיחות, העברה לתאים, יעילות, חיתוכים מחוץ למטרה, תגובות חיסוניות ורגולציה.

שאלת שולחן: אם הייתם בונים מאבטח DNA, במה הייתם עושים אותו הכי קפדן: בכתובת, בתג ה-PAM, או בזמן שבו מותר לו להחזיק מספריים?

רגע, אז מה לקחת מפה?

החיידק מהפתיחה לא ניסה לזכות בפרס נובל, לפתור את כל הרפואה, או לעצב תינוק עם כישרון מולד לסידור מדיח. הוא רק ניסה לא להפוך למפעל של הפאג׳ הבא.

בשביל זה הוא שמר חתיכת DNA של פולש, השתמש ב-RNA כמדריך, שלח את Cas9 לבדוק כתובת ו-PAM, ואז חתך. בני אדם ראו את מערכת האבטחה הזעירה הזאת והבינו את החלק המבריק והמסוכן: אם מחליפים את הפתק, אפשר לשלוח את המספריים למקום חדש.

וזה המשפט שכדאי לזכור: CRISPR מרגש בדיוק מאותה סיבה שהוא מלחיץ. המספריים ניתנים לתכנות. עכשיו צריך לוודא שהם דופקים בדלת הנכונה.

מקורות

• CRISPR-Cas9: a promising tool for gene editing on induced pluripotent stem cells