קריספר

קריספר (באנגלית: CRISPR, ראשי תיבות של Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats‏) הוא אזור ב-DNA של חיידקים וארכאות רבים, והוא חלק ממנגנון הגנה מפני נגיפים. כאשר נגיף כדוגמת בקטריופאג' תוקף חיידק הוא מחדיר לתוכו את סליל ה-DNA הכפול שלו, ה-DNA הנגיפי מנצל את סביבת התא כדי לייצר חלבונים ולהשתכפל, וגורם למותו של התא. התגלה שבדומה לבעלי חיים עיליים, גם חיידקים פיתחו מערכת הגנה נרכשת הלומדת לזהות את הנגיף ולחסל אותו, והחיסוניות מורשת גם לתאי הבת.

הקריספר הוא מעין ספרייה של קטעי DNA נגיפי, שנחתכו מהפולש ושובצו בתוך ה-DNA של החיידק עצמו. קטעי ה-DNA הנגיפי מופרדים על ידי רצפים קבועים מחזוריים. בסמוך לאזור הקריספר ב-DNA של החיידק נמצאים גנים לקידוד הנוקלאז Cas9 ונוקלאזים אחרים, שמסוגלים לחתוך סלילי DNA. נוקלאזים אלה בעזרת מקטע ה-DNA הנגיפי יכולים להיצמד לקטע ה-DNA המדויק בפולש ולחתוך אותו, וכך לשבש את פעולתו. מנגנון זה גויס על ידי מיקרוביולוגים כשיטה זולה ומהירה להנדסה גנטית, והשיטה כה מדויקת שאפשר בעזרתה להוציא זוג בסיסים בודד מתוך DNA.

אזורי ה-CRISPR מזהים את ה-DNA הזר וחותכים אותו. באופן טבעי חיידקים יכולים להכניס DNA זר ולהשתמש בו, אולם מערכת CRISPR היא מערכת הפוכה שבה ה-DNA נכנס, אולם במקום להשתמש בו הוא מפורק ומשמש כחלק ממערכת חיסונית.

היסטוריה

ב-1987 חקרו כמה מדענים מיפן גנים מסוימים בחיידק המעיים Escherichia coli ומצאו שרצף DNA סמוך לגן שחקרו מכיל כמה מקטעים זהים עם רווחים (ספייסרים) ביניהם, אך משמעותם לא פוענחה. ב-1993 מצא החוקר הספרדי פרנסיסקו מוחיקה (Francisco Mojica) רצפים חוזרים דומים ונתן להם את השם Short Regularly Spaced Repeats או בקיצור SRSR. בשנת 2000 זוהו רצפים דומים במינים אחרים של בקטריות וארכיאה. השם שונה ב-2002 ל-CRISPR כאשר התגלה כי הרצפים תמיד מופיעים ליד גנים המאפשרים לייצר אנזימים החותכים DNA כגון נוקלאז והליקאז שכונו בשם cas^[1].

ב-2005 גילו כמה קבוצות מחקר שהספייסרים הכילו DNA זר כגון בקטריופאג' ופלסמיד, והתגלה שהספייסרים הם למעשה חלק ממערכת החיסון של בקטריות. כאשר וירוס חודר לבקטריה, חלק ממערכת הקריספר חותכת מקטעים מה-DNA הנגיפי ומחדירה אותו לתוך רצף הספייסרים. יוג'ין קונין הציע שמנגנון זה מאפשר לתאים לזהות ולתקוף DNA נגיפי ופועל כסוג של מערכת חיסונית של בקטריות וארכיאה.

ב-2007 השתמשו בחברת Danisco בספייסרים כדי להקנות לחיידקי Streptococcus thermophilus עמידות נגד וירוסים מסוימים בשביל למנוע זיהומים של וירוסים בייצור יוגורט. הם לקחו את הספייסרים של ה-CRISPR ועשו עימוד רצפים, ומצאו שהרצפים הם לרוב מ-DNA שחיצוני לחיידקים (פאג'ים, פלסמידים, טרנספוזונים וכו'). ב-2010 מצאו שיש כמה סוגים של CRISPR שחלקם תוקפים RNA וחלקם DNA.

ב-2011 גילה צוות חוקרים מאוניברסיטאות שונות שמולקולה בשם tracrRNA משתתפת בתהליכי ההבשלה של תעתיקי ה-RNA במערכת הקריספר^[2]. עמנואל שרפנטייה שהייתה שותפה לצוות המחקר פנתה לג'ניפר דאודנה, שהתמחתה בחקר של מולקולות RNA, לצורך שיתוף פעולה בנושא. ב-2012 הראו לראשונה שתי הביוכימאיות את השימוש במערכת ה-CRISPR/cas לחיתוך DNA מחוץ לחיידק^[3]. החידוש במחקר זה הוא שימוש ברצף RNA שמורכב ממקטע ה-trcrRNA וה-crRNA, וגרם לפריחה בתחום. מקטע זה נקרא single guide RNA או sgRNA. פיתוח נוסף הוא השימוש בחלבון cas אחד שכולל בתוכו את כל האזורים הנחוצים לקשירה ופתיחה של DNA וחיתוכו ולא בקומפלקס של חלבונים שונים. אנזים cas זה נמצא בחיידק Streptococcus pyogenes ונקרא cas9. השימוש באנזים יחיד ורצף יחיד הפך את השימוש במנגנון להרבה יותר פשוט ובכך הנגיש אותו לשימוש ככלי בהנדסה גנטית^[4]. על עבודתן קבלו דאודנה ושרפנטייה פרס נובל לכימיה לשנת 2020.

ב-2013 במעבדתו של פנג ז'נג הראו לראשונה את השימוש ב-CRISPR בהנדסה גנטית בתאי עכבר ואדם^[5]. מאז 2013, מערכת ה-CRISPR/Cas משמשת לצורך הנדסה גנטית ועריכת גנים, כולל הוספה, שינוי או הקטנת הביטוי של גנים. באמצעות הכנסה של חלבון Cas9 ו-guide RNAs לתא, אפשר לחתוך את הגנום בכל מקום שהוא.

מנגנון

הגנים שסמוכים לרצפי ה-CRISPR מקודדים לקומפלקס של חלבונים שמכונים: crispr-associated proteins - cas. קומפלקס זה מכיל שני אזורים של נוקלאז, הליקאז ואזור לקישור RNA. יש צורך ברצף RNA נוסף שיתחבר לקומפלקס כדי שהוא יהיה פעיל. רצף זה נקרא (tracer RNA) trcrRNA ובחיידקים נמצא לפני הרצף שמקודד לגני ה-cas. כאשר וירוס מדביק חיידק, רצפי הקריספר נחתכים לרצפים קצרים של ספייסר ומקטע. רצף זה, אשר נקרא crRNA (CRISPR RNA), מתחבר לקומפלקס ה-cas. קומפלקס הקריספר/cas עובר על ה-DNA הנגיפי ומחפש אזורים ב-DNA שמשלימים לרצף ה-crRNA כשנמצא רצף מתאים, הנוקלאזות חותכות את ה-DNA הנגיפי במקומות מקבילים בשני הגדילים. בעזרת מנגנון זה החיידק מפרק את ה-DNA הנגיפי. קומפלקס הקריספר/cas לא מסוגל לחתוך כל רצף קיים וצריך להימצא רצף מסוים של כשלושה נוקלאוטידים על ה-DNA הנגיפי כדי שהקריספר/cas יפעל. רצף קצר זה נקרא PAM - protospacer adjacent motifs. רצף ה-PAM המתאים משתנה בין סוגי ה-cas השונים.

היכולת לחתוך במדויק מקטע DNA, שכפולו והכנסתו למקטע DNA אחר בצורה זולה ויעילה פרצה את הדרך בפני המדעים וב-2014 השקיעה ארצות הברית 160 מיליון דולר בפרויקטים המשתמשים בקריספר.

שימוש בקריספר לעריכת גנים

נעשה שימוש נרחב בקריספר לעריכת גן בודד או גנים מרובים במגוון תאים ואורגניזמים. על מנת שמערכת זו תמשיך את הפעילות שלה היא זקוקה לחלבון - Cas9, ו RNA מדריך המשלים לרצף היעד ב DNA שמכוון את ה Cas9 לאזור הממוקד. אזור זה חייב להכיל מוטיב Protospacer adjacent motif (PAM) שזה קטע קצר של כמה נוקלאוטידים סמוך לרצף שמבוקע על ידי Cas9. הקישור של Cas9 לאזור היעד חותך את ה DNA הדו גדילי.

בשלב זה נכנסת לפעולה מערכת תיקון DNA לא הומולוגי של התא, שתפקידה לחבר מחדש מולקולות שנחתכו. זו מערכת יעילה אך מלווה בטעויות, היא גם יכולה להכניס מוטציות באזור החיתוך. לכן, אם המטרה שלנו היא רק השתקת גן מסוים, החיתוך של Cas9 גורם לזה לקרות.

לעריכות גנים מדויקות כגון החלפת בסיס בודד, משתמשים ב-Cas9-nickase שזה אותו חלבון אך הוא עבר שינוי שגרם לו לחתוך רק גדיל אחד מהסליל הכפול של ה-DNA.

אחרי שהוא חותך גדיל אחד, האנזים דימנאז מאפשר מעברים בבסיס יחיד מ-C ל-T או A ל-G. מערכת נוספת וחדשה שנקראת עריכת פריים, מרחיבה את סוגי העריכות שיכולים להיווצר, תוך שימוש במולקולת RNA המכילה שני חלקים. החלק הראשון כולל רצף שתואם לרצף הנמצא ליד האזור ב DNA אותו אנחנו רוצים לערוך, ומסוגל להיקשר אליו. החלק השני מכיל את עותק ה-RNA של הרצף הערוך שאנחנו רוצים להחדיר לגנום. האנזים רוורס טרנסקריפטאז יוצר רצף DNA, לפי הרצף שנמצא על מולקולת ה-RNA זה הוא הרצף הערוך שרוצים להכניס לגנום.

מלבד הפוטנציאל שלו ביצירת מודלים יעילים של מחלות אנושיות, קריספר יכול לשמש גם לטיפול בהפרעות נוירולוגיות תורשתיות והתפתחותיות.

בתאריך 8.12.23 אישר מינהל המזון והתרופות של ארצות הברית (ה-FDA) את Casgevy, טיפול פורץ דרך לעריכת גנים מבוסס CRISPR, למחלת האנמיה החרמשית. Casgevy הוא הטיפול הראשון שאושר על ידי ה-FDA, המשתמש בעריכה הגנומית בשיטת ה-CRISPR, והדבר מאותת על התקדמות משמעותית בתחום הריפוי הגנטי.