การแก้ไขโดยมนุษย์: นักวิทยาศาสตร์ดำเนินการจีโนมอย่างไรและทำไม

การประยุกต์ใช้พันธุวิศวกรรมในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์

• ยีนที่น่าพิศวง

เพื่อศึกษาหน้าที่ของสิ่งหนึ่งหรืออย่างอื่น

สามารถใช้ยีนที่น่าพิศวงได้ นี่คือชื่อของเทคนิคในการกำจัดยีนตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไป ซึ่งช่วยให้สามารถศึกษาผลที่ตามมาของการกลายพันธุ์ดังกล่าวได้

สำหรับสิ่งที่น่าพิศวง ยีนเดียวกันหรือส่วนของมันจะถูกสังเคราะห์และดัดแปลงเพื่อให้ผลิตภัณฑ์ยีนสูญเสียการทำงาน วิธีการนำไปใช้หลัก: ซิงค์ฟิงเกอร์, มอร์โฟลิโน และทาเลน

เพื่อให้ได้หนูที่น่าพิศวง ที่ได้รับโครงสร้างที่ได้รับการดัดแปลงทางพันธุกรรมจะถูกนำไปใช้ในเซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อนซึ่งโครงสร้างดังกล่าวได้รับการรวมตัวกันของร่างกายและแทนที่ยีนปกติและเซลล์ที่เปลี่ยนแปลงจะถูกฝังเข้าไปในบลาสโตซิสต์ของมารดาที่เป็นตัวแทน ในแมลงวันผลไม้การกลายพันธุ์ของแมลงหวี่จะเริ่มขึ้นในประชากรจำนวนมากซึ่งจะมีการแสวงหาลูกหลานที่มีการกลายพันธุ์ที่ต้องการ พืชและจุลินทรีย์ถูกกำจัดออกไปในลักษณะเดียวกัน

• นิพจน์ประดิษฐ์

นอกจากนี้ตรรกะที่น่าพิศวงคือการแสดงออกทางประดิษฐ์นั่นคือการเพิ่มยีนให้กับร่างกายที่ไม่เคยมีมาก่อน เทคนิคพันธุวิศวกรรมนี้สามารถใช้เพื่อศึกษาการทำงานของยีน โดยพื้นฐานแล้วกระบวนการแนะนำยีนเพิ่มเติมจะเหมือนกับสิ่งที่น่าพิศวง แต่ยีนที่มีอยู่จะไม่ถูกแทนที่หรือเสียหาย

• การสร้างภาพผลิตภัณฑ์ยีน

ใช้เมื่องานคือการเรียนการแปลผลิตภัณฑ์ยีน วิธีการติดแท็กวิธีหนึ่งคือการแทนที่ยีนปกติด้วยยีนที่หลอมรวมกับองค์ประกอบรีพอร์ตเตอร์ เช่น ด้วยยีนโปรตีนเรืองแสงสีเขียว GFP โปรตีนนี้ซึ่งเรืองแสงในแสงสีฟ้าใช้ในการเห็นภาพผลจากการดัดแปลงพันธุกรรม

แม้ว่าเทคนิคนี้จะสะดวกและมีประโยชน์ แต่ก็มีผลข้างเคียงผลที่ตามมาอาจทำให้สูญเสียการทำงานของโปรตีนบางส่วนหรือทั้งหมดภายใต้การศึกษา วิธีการที่ซับซ้อนกว่า แม้ว่าจะไม่สะดวกนักคือการเพิ่มโปรตีนภายใต้การศึกษา ไม่ใช่โอลิโกเปปไทด์ขนาดใหญ่ที่สามารถตรวจพบได้โดยใช้แอนติบอดีจำเพาะ

• การตรวจสอบกลไกการแสดงออก

ในการทดลองดังกล่าว ภารกิจคือการศึกษาเงื่อนไขการแสดงออกของยีน คุณสมบัติการแสดงออกขึ้นอยู่กับ DNA ชิ้นเล็กๆ ที่อยู่ด้านหน้าขอบเขตการเข้ารหัสเป็นหลัก เรียกว่าโปรโมเตอร์ ซึ่งทำหน้าที่ผูกปัจจัยการถอดรหัส

ไซต์นี้ถูกนำเข้าสู่ร่างกายโดยการวางหลังแทนที่จะเป็นยีนผู้สื่อข่าวของตัวเองตัวอย่างเช่น GFP หรือเอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยาที่ตรวจพบได้ง่าย นอกเหนือจากข้อเท็จจริงที่ว่าการทำงานของโปรโมเตอร์ในเนื้อเยื่อบางอย่างในคราวเดียวหรืออีกอย่างหนึ่งจะสามารถมองเห็นได้อย่างชัดเจนการทดลองดังกล่าวยังช่วยให้สามารถตรวจสอบโครงสร้างของโปรโมเตอร์ได้โดยการลบหรือเพิ่มชิ้นส่วนดีเอ็นเอลงไปรวมทั้งเสริมการทำงานของมันด้วยเทียม .

ทำไมพันธุวิศวกรรมของมนุษย์จึงจำเป็น?

เมื่อนำมาใช้กับมนุษย์พันธุวิศวกรรมสามารถใช้ในการรักษาโรคทางพันธุกรรม อย่างไรก็ตามในทางเทคนิคแล้วมีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญระหว่างการรักษาผู้ป่วยด้วยตนเองและการปรับเปลี่ยนจีโนมของลูกหลานของเขา

ภารกิจในการเปลี่ยนจีโนมของผู้ใหญ่ค่อนข้างซับซ้อนกว่าการเพาะพันธุ์สัตว์ดัดแปลงพันธุกรรมใหม่ เนื่องจากในกรณีนี้จำเป็นต้องเปลี่ยนจีโนมของเซลล์จำนวนมากของสิ่งมีชีวิตที่สร้างขึ้นแล้ว และไม่ใช่แค่ไข่ของตัวอ่อนเพียงตัวเดียว ในการทำเช่นนี้ขอเสนอให้ใช้อนุภาคของไวรัสเป็นเวกเตอร์

อนุภาคไวรัสสามารถทะลุเข้าไปได้เปอร์เซ็นต์ที่มีนัยสำคัญของเซลล์ผู้ใหญ่โดยฝังข้อมูลทางพันธุกรรมลงในเซลล์เหล่านั้น สามารถควบคุมการแพร่พันธุ์ของอนุภาคไวรัสในร่างกายได้ ในเวลาเดียวกัน เพื่อลดผลข้างเคียง นักวิทยาศาสตร์พยายามหลีกเลี่ยงการนำ DNA ที่ได้รับการดัดแปลงพันธุกรรมเข้าไปในเซลล์ของอวัยวะสืบพันธุ์ ดังนั้นจึงหลีกเลี่ยงผลกระทบต่อลูกหลานในอนาคตของผู้ป่วย

นอกจากนี้ยังควรสังเกตการวิพากษ์วิจารณ์ที่สำคัญของเทคโนโลยีนี้ในสื่อ: การพัฒนาไวรัสที่ดัดแปลงพันธุกรรมนั้นถูกมองว่าเป็นภัยคุกคามต่อมนุษยชาติทั้งหมด

ด้วยความช่วยเหลือของยีนบำบัด ในอนาคตจะมีการเปลี่ยนแปลงจีโนมมนุษย์ได้ ปัจจุบันวิธีการที่มีประสิทธิภาพในการปรับเปลี่ยนจีโนมมนุษย์อยู่ในขั้นตอนของการพัฒนาและทดสอบไพรเมต

พันธุวิศวกรรมที่ยาวนานของลิงเผชิญกับความยากลำบากร้ายแรง แต่ในปี 2009 การทดลองประสบความสำเร็จ: มีสิ่งพิมพ์ปรากฏในวารสาร Nature เกี่ยวกับความสำเร็จในการใช้พาหะไวรัสดัดแปลงพันธุกรรมเพื่อรักษาลิงตัวผู้ที่โตเต็มวัยที่ตาบอดสี ในปีเดียวกันนั้น การทดลองทางพันธุกรรมครั้งแรก เจ้าคณะดัดแปลง (โตจากไข่ดัดแปลง) ให้กำเนิดลูกหลาน - มาร์โมเซตทั่วไป (Callithrix jacchus)

แม้ว่าจะมีขนาดเล็ก แต่พันธุวิศวกรรมก็มีอยู่แล้วใช้เพื่อให้ผู้หญิงที่มีภาวะมีบุตรยากบางประเภทมีโอกาสตั้งครรภ์ ไข่จากผู้หญิงที่มีสุขภาพดีใช้สำหรับสิ่งนี้ เป็นผลให้เด็กสืบทอดจีโนไทป์จากพ่อหนึ่งคนและแม่สองคน

อย่างไรก็ตาม ความเป็นไปได้ของการแนะนำที่สำคัญมากขึ้นการเปลี่ยนแปลงในจีโนมมนุษย์ต้องเผชิญกับปัญหาทางจริยธรรมที่ร้ายแรงหลายประการ ในปี 2559 นักวิทยาศาสตร์กลุ่มหนึ่งในสหรัฐอเมริกาได้รับการอนุมัติสำหรับการทดลองทางคลินิกเกี่ยวกับวิธีการรักษามะเร็งโดยใช้เซลล์ภูมิคุ้มกันของผู้ป่วยเอง ซึ่งผ่านการดัดแปลงพันธุกรรมโดยใช้เทคโนโลยี CRISPR / Cas9

ณ สิ้นปี 2561 มีเด็กสองคนเกิดที่ประเทศจีนซึ่งจีโนมมีการเปลี่ยนแปลงเทียม (ยีน CCR5 ถูกปิด) ในระยะตัวอ่อนโดยใช้วิธี CRISPR/Cas9 ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการวิจัยที่ดำเนินการตั้งแต่ปี 2559 เพื่อต่อสู้กับเอชไอวี พ่อแม่คนหนึ่ง (พ่อ) มีเชื้อ HIV และลูกๆ เกิดมามีสุขภาพแข็งแรง

เนื่องจากการทดลองไม่ได้รับอนุญาต (ก่อนดังนั้นการทดลองดังกล่าวทั้งหมดกับเอ็มบริโอของมนุษย์จึงได้รับอนุญาตเฉพาะในระยะแรกของการพัฒนาโดยการทำลายวัสดุทดลองในภายหลังนั่นคือโดยไม่ต้องฝังเอ็มบริโอเข้าไปในมดลูกและการคลอดบุตร) นักวิทยาศาสตร์ที่รับผิดชอบในเรื่องนี้ ไม่ได้แสดงหลักฐานสำหรับคำกล่าวของเขา ซึ่งจัดทำขึ้นในการประชุมนานาชาติเรื่องการแก้ไขจีโนม

เมื่อปลายเดือนมกราคม 2019 ทางการจีนได้ยืนยันข้อเท็จจริงของการทดลองนี้อย่างเป็นทางการ ในระหว่างนี้ นักวิทยาศาสตร์ถูกห้ามไม่ให้มีส่วนร่วมในกิจกรรมทางวิทยาศาสตร์และเขาถูกจับกุม

จีโนมมนุษย์ถูกแก้ไขอย่างไร?

• วิธีสังกะสีนิ้ว

"สังกะสีนิ้วมือ" พบในองค์ประกอบโปรตีนของมนุษย์ ด้วยวิธีนี้ เป็นไปได้ที่จะออกแบบสายโซ่ ZFN เพื่อให้รู้จักส่วนเฉพาะของ DNA ทำให้สามารถกำหนดเป้าหมายพื้นที่เฉพาะภายในจีโนมที่ซับซ้อนได้

พบโดเมน Zinc Finger ในปัจจัยการถอดรหัสของมนุษย์ - โปรตีนที่ควบคุมกระบวนการสังเคราะห์ RNA ด้วยเทมเพลต DNA เมื่อสร้างนิวคลีเอสเทียม คุณสามารถสร้างสายโซ่ของ "นิ้วสังกะสี" เพื่อจดจำส่วนเฉพาะของดีเอ็นเอได้

หากโซ่ดังกล่าวยาวพอก็สามารถรับรู้ลำดับดีเอ็นเอที่ค่อนข้างขยายซึ่งประกอบด้วยชิ้นส่วนไตรนิวคลีโอไทด์จำนวนหนึ่ง ซึ่งหมายถึงความเป็นไปได้ที่แท้จริงของผลกระทบที่กำหนดเป้าหมายในพื้นที่เฉพาะภายในจีโนมที่ซับซ้อนขนาดใหญ่

อย่างไรก็ตาม วิธีการ “นิ้วสังกะสี” ก็เปิดเผยเช่นกันข้อเสียร้ายแรง: ประการแรกนี่ไม่ใช่การรับรู้ซ้ำของไตรนิวคลีโอไทด์ที่เข้มงวดมากซึ่งนำไปสู่การแตกแยกของ DNA จำนวนมากที่เห็นได้ชัดเจนในภูมิภาค "ที่ไม่ใช่เป้าหมาย"

ประการที่สองวิธีนี้กลายเป็นเรื่องที่ลำบากมากและมีราคาแพงเนื่องจากสำหรับแต่ละลำดับดีเอ็นเอจำเป็นต้องสร้างโครงสร้างโปรตีนที่เหมาะสมที่สุดของนิวคลีเอสสังกะสีนิ้ว ดังนั้นระบบ "สังกะสีนิ้วมือ" จึงไม่แพร่หลาย

• ทาเลน

ในปี 2554 วารสาร Nature Methods ได้ตั้งชื่อระบบTALEN (Transcription Activator-like Effector Nucleases) "วิธีการแห่งปี" เนื่องจากมีการใช้งานที่เป็นไปได้มากมายในด้านต่างๆ ของวิทยาศาสตร์พื้นฐานและวิทยาศาสตร์ประยุกต์

TALEN เป็นหนึ่งในวิธีการสมัครโดยตรงทำลาย DNA ด้วย "การรักษา" ที่ตามมา - เพื่อปิดยีนในหนู ทันทีหลังจากนั้น เทคโนโลยีนี้ถูกนำมาใช้เพื่อแนะนำการกลายพันธุ์ในจีโนมของเมาส์ ซึ่งนำไปสู่การพัฒนาหนึ่งในกลุ่มอาการทางพันธุกรรม ผู้เขียนวิธีการสร้างแบบจำลองโรคที่กำหนดโดยพันธุกรรมไม่เพียง แต่จะ "ทำลาย" จีโนมของเมาส์เท่านั้น แต่ยังต้องแก้ไขให้ถูกต้องอีกด้วย

• CRISPR / Cas9

วิธีนี้ให้ผลที่แม่นยำในบริเวณดีเอ็นเอที่ระบุและสามารถใช้ได้ในห้องปฏิบัติการทางชีววิทยาโมเลกุลสมัยใหม่เกือบ

ระบบนี้ขึ้นอยู่กับพื้นที่พิเศษดีเอ็นเอของแบคทีเรีย - CRISPR (การทำซ้ำแบบพาลินโดรมแบบสั้นแบบแบ่งกลุ่มเป็นประจำ หรือแบบคลัสเตอร์แบบพาลินโดรมแบบสั้น) การทำซ้ำเหล่านี้ถูกคั่นด้วยตัวเว้นวรรค - ชิ้นส่วนสั้นของ DNA ต่างประเทศ หลังถูกรวมเข้าในจีโนมหลังจากที่ดีเอ็นเอรวมตัวกับจีโนมของมัน

ตัวอย่างการแก้ไขโดยมนุษย์

• การแก้ไขจีโนมในร่างกาย

โรคของ Brian ที่อาศัยอยู่ในรัฐแอริโซนาอายุ 44 ปีมาโดปรากฏตัวในวัยเด็ก รักษาไม่หายและเป็นกรรมพันธุ์โดยผู้ชายเป็นหลัก Mucopolysaccharidosis type II เป็นความผิดปกติของการเผาผลาญ: คนที่มีการกลายพันธุ์ของยีนที่รับผิดชอบในการผลิตเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับการสลายคาร์โบไฮเดรตเชิงซ้อน เป็นผลให้พวกมันสะสมในเซลล์และก่อให้เกิดโรคของอวัยวะต่างๆมากมาย

ชายคนนั้นตัดสินใจเข้าร่วมทางคลินิกทดสอบวิธีการใหม่ - ยีนบำบัด นี่เป็นเพียงระยะแรกของการศึกษาและก่อนที่จะลงทะเบียนการบำบัด (นั่นคือก่อนที่จะได้รับอนุญาตให้ใช้วิธีนี้สำหรับผู้ป่วยทุกรายที่เป็นโรคฮันเตอร์) ต้องมีสามคน

วิธีที่ใช้ในกรณีของไบรอันMado ช่วยให้คุณสามารถแก้ไขจีโนมในร่างกายมนุษย์ได้โดยตรง และในขณะเดียวกันก็กำหนดเป้าหมายส่วนใดส่วนหนึ่งของ DNA ได้อย่างแม่นยำ การแก้ไขเกิดขึ้นโดยใช้สิ่งที่เรียกว่า "นิ้วสังกะสี" 

• เด็กดัดแปลงพันธุกรรม

He Jiankui นักวิจัยชาวจีนได้แก้ไขจีโนมของตัวอ่อนมนุษย์ก่อนที่จะมีการปฏิสนธินอกร่างกายส่งผลให้เด็กสองคนมีดีเอ็นเอที่เปลี่ยนแปลงไป

นักวิจัยระบบ CRISPR / Cas9แก้ไขจีโนมของเอ็มบริโอเจ็ดคู่ระหว่างการรักษาระบบสืบพันธุ์ ผลจากการตั้งครรภ์เด็กหญิงฝาแฝด 2 คนที่มีดีเอ็นเอเปลี่ยนแปลงเกิดจากแม่ที่มีสุขภาพแข็งแรงและพ่อที่ติดเชื้อเอชไอวี เขา Jiankui อธิบายว่าเขาได้ถอดยีน CCR5 ออกจากเด็ก ซึ่งทำให้พวกเขามีภูมิคุ้มกันต่อเอชไอวีตลอดชีวิต

• การกลับมามองเห็นด้วยยีนบำบัด

ในการฟื้นฟูการมองเห็นสามารถใช้เทคโนโลยีออปโตเจเนติกซึ่งสามารถควบคุมการทำงานของเซลล์ประสาทได้ด้วยความช่วยเหลือของโปรตีนที่ไวต่อแสงของแบคทีเรียและแสงแฟลชเลเซอร์

ด้วยแนวคิดนี้นักชีววิทยาได้สร้างไวรัสซึ่งสามารถเจาะเซลล์ประสาทปมประสาทได้ เซลล์ประสาทเหล่านี้มีหน้าที่ในการส่งสัญญาณจากเรตินาไปยังสมองของมนุษย์ ครั้งหนึ่งในโรคประสาทปมประสาทไวรัสทำให้เกิดโมเลกุลสัญญาณคล้ายกัน อย่างไรก็ตามขั้นตอนนี้ไม่ได้ฟื้นฟูการมองเห็นด้วยตัวเองเนื่องจากโปรตีนของแบคทีเรียตอบสนองต่อแสงแตกต่างจากแท่งและกรวยของเรตินา

เพื่อแก้ปัญหานี้ ศาสตราจารย์บาเซิลมหาวิทยาลัย Botond Rosca และศาสตราจารย์ José Sahel จากมหาวิทยาลัย Pittsburgh ได้สร้างแว่นตาพิเศษที่เปลี่ยนภาพที่เข้ามาให้อยู่ในรูปแบบที่สมองเข้าใจได้ และกระตุ้นเซลล์ปมประสาทด้วยแสงเลเซอร์ เป็นผลให้ผู้ป่วยสามารถเห็นเงาของวัตถุขนาดใหญ่และวัตถุและดำเนินการที่ซับซ้อนอื่น ๆ

อ่านเพิ่มเติม:

นักวิทยาศาสตร์ได้ทดสอบทฤษฎี panspermia เกี่ยวกับ tardigrades: พวกมันสามารถเดินทางในอวกาศได้

นักวิทยาศาสตร์พบว่าทองคำที่อุดมด้วยคุณค่าพิเศษนั้นเกิดขึ้นเป็นโยเกิร์ต

เครื่องยนต์ไฮโดรเจนขนาดเล็กเข้ามาแทนที่เชื้อเพลิงฟอสซิล