PAC-MAN: เคี้ยวโควิดด้วย CRISPR
เมื่อวานนี้ (29 เมษายน 2020) มีเปเปอร์ของทีมวิจัยจาก Stanford ออกมาในวารสาร Cell [1] ว่าด้วยการใช้ CRISPR/Cas13 กำจัด RNA ของไวรัสในเซลล์มนุษย์ ซึ่งรวมไปถึงชิ้นส่วนจีโนมของเชื้อไข้หวัดใหญ่ (H1N1) และ coronavirus อย่าง เชื้อก่อโรค COVID-19 ด้วย เดี๋ยวจะสรุปให้ฟังว่ามันทำงานยังไง เอาไปทำอะไรต่อได้บ้าง มีข้อจำกัดอะไรบ้าง
1. ตามธรรมชาติ CRISPR/Cas เป็นระบบภูมิคุ้มกันภายในเซลล์ของแบคทีเรีย มีเอนไซม์ Cas เป็นตัวตัดจีโนมไวรัสที่บุกเข้ามา และมี crRNA ที่สร้างจาก CRISPR เป็นตัวระบุลำดับเบสตำแหน่งตัด CRISPR/Cas มีอยู่หลายตระกูล บางตระกูลตัดจีโนมไวรัสที่เป็นดีเอ็นเอ บางตระกูลตัดที่เป็นอาร์เอ็นเอ สำหรับในงานนี้ใช้ CRISPR/Cas13d จากแบคทีเรียชนิด Ruminococcus flavefaciens ตัวนี้สามารถตัดอาร์เอนเอไวรัสได้ มีขนาดโมเลกุลเล็ก ความแม่นยำและประสิทธิภาพการตัดสูง ทีมวิจัยเลยคิดจะเอามาใช้สู้กับอาร์เอนเอไวรัสอย่าง coronavirus และ influenza ในเซลล์มนุษย์
2. ก่อนหน้านี้เคยมีทีมวิจัยอื่นลองใช้ CRISPR/Cas13 กำจัดจีโนม Influenza A Virus (IVA), human respiratory syncytial virus (hRSV) lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) และ vesicular stomatitis virus (VSV) ในเซลล์มนุษย์มาแล้ว [2][3] แต่งานนี้เป็นครั้งแรกที่มีเป้าหมายเป็นจีโนมของเชื้อในกลุ่ม coronavirus และมีการพัฒนาระบบการออกแบบชุด crRNA ให้สามารถจัดการกับ coronavirus หลายหลายชนิดได้ในคราวเดียว ทีมวิจัยตั้งชื่อระบบนี้ว่า PAC-MAC (prophylactic antiviral CRISPR in human cells) ล้อตามชื่อตัวการ์ตูนจอมงับในเกมส์ตู้ยุค 80’
3. เนื่องจาก coronavirus มีความหลากหลายทางพันธุกรรมสูงและกลายพันธุ์เร็ว ทีมวิจัยจึงเริ่มจากการเอาจีโนมของ coronavirus ทั้งหลายในฐานข้อมูลมาเปรียบเทียบกันเพื่อหาตำแหน่งที่ค่อนข้างคงที่ (conserved) ทีมวิจัยเจอว่าเป็นตำแหน่งของยีน RdRp ซึ่งมีหน้าที่ถอดรหัสและจำลองแบบอาร์เอนเอของไวรัส และยีน N ซึ่งมีหน้าที่แพ็คจีโนมไวรัสใส่ในตัวอนุภาคไวรัส ทีมวิจัยสร้างอัลกอริทึมสำหรับออกแบบและคัดกรอง crRNA ที่มุ่งเป้าไปในสองยีนนี้และมีลำดับเบสที่เหมาะสมสำหรับการแสดงออกและทำงานในเซลล์มนุษย์
4. ทีมวิจัยวิศวกรรมเซลล์เยื่อบุทางเดินหายใจมนุษย์ให้มี CRISPR/Cas13d ที่แสดงออก crRNA ที่จำเพาะต่อ coronavirus จากนั้นก็ลองนำส่งชิ้นส่วนจีโนมของ SARS-CoV-2 (เชื้อก่อโรค COVID-19) ติดยีนเรืองแสงใส่เข้าไปในเซลล์เรานี้ผ่านทางพลาสมิตหรือ lenvirus (ไวรัสในกลุ่ม retrovirus ซึ่งมีจีโนมเป็นอาร์เอนเอ) ทีมวิจัยพบว่าทั้งระดับการเรืองแสงและระดับการแสดงออกของชิ้นส่วนจีโนม SARS-CoV-2 ลดลงประมาณ 70-80% เทียบกับการทดลองชุดควบคุมที่ไม่มี CRISPR/Cas13d ต่อต้าน coronavirus ผลการทดลองนี้แสดงว่า CRISPR/Cas13d สามารถแสดงออกและตัดทำลายชิ้นส่วนอาร์เอนเอเป้าหมายจาก SARS-CoV-2 ตามที่ได้ออกแบบไว้
5. ทีมวิจัยใช้หลักการเดียวกันนี้ในการออกแบบ CRISPR/Cas13d ที่แสดงออก crRNA ต้านไวรัสไข้หวัดใหญ่ชนิด H1N1 Influenza A Virus (IVA) เซลลเยื่อบุทางเดินหายใจมนุษย์ที่ได้รับการวิศวกรรมให้มี CRISPR/Cas13d สามารถต่อต้านการรุกรานเข้าสู่เซลล์ของเชื้อ H1N1 IVA ได้ ประมาณ 50-70% ขึ้นอยู่กับสัดส่วน (MOI) ของเชื้อ H1N1 IVA ต่อเซลล์เยื่อบุทางเดินหายใจที่ใช้ในการทดลอง
6. เนื่องจากจีโนมของอาร์เอ็นเอไวรัสทั้ง coronavirus และ influenza ไวรัสมีความหลายหลายสูงและกลายพันธุ์เร็ว แม้แต่บริเวณที่คงที่ (conserved) ที่สุดบนจีโนมก็มักมีความผันแปรเกินกว่าที่เราจะใช้ crRNA แค่ตัวเดียวในการนำทาง Cas13d ไปตัดจีโนมไวรัสทั้งหมดที่เป็นไปได้ ทีมวิจัยตั้งคำถามต่อว่าเราต้องใช้ crRNA ที่เลือกเฟ้นมาดีทีสุดแล้วอย่างน้อยประมาณกี่ตัวจึงจะครอบคลุมการตัดทำลายจีโนมไวรัสส่วนใหญ่? จากการใช้ bioinformatics ทำนายด้วยการเทียบลำดับเบส ทีมวิจัยพบว่าสำหรับจีโนม H1N1 IVA ทั้งหมดที่เรารู้จักในฐานข้อมูล (ซึ่งมีอยู่ประมาณ 90,000 กว่าจีโนม) crRNA ที่ดีที่สุดจะสามารถนำทางไปตัดทำลายได้ประมาณ 30% ของจีโนมทั้งหมด และต้องใช้ crRNA อย่างน้อยๆ หกตัวจึงจะตัดทำลายได้ 92% ของจีโนมทั้งหมด สำหรับจีโนม coronavirus ทั้งในคนและสัตว์ที่เรามีข้อมูลอยู่ตอนนี้ 3,000 กว่าจีโนม ทีมวิจัยพบว่า crRNA ตัวท็อปแค่สองตัวน่าจะสามารถตัดทำลายจีโนมของ coronavirus ที่เรารู้จักได้ราวๆ 50% ของจีโนมทั้งหมด ซึ่งในจำนวนนี้รวมไปถึงเชื้อก่อโรค SARS, MERS และ COVID-19 ด้วย crRNAที่ดีที่สุดหกตัวสามารถตัดทำลายได้ 91% ของจีโนมทั้งหมด และ crRNA 22 ตัวจะสามารถตัดทำลายจีโนม coronavirus ทั้ง 100% ที่เรารู้จักได้ ถ้าเราโฟกัสแค่เชื้อ SARS-CoV-2 ที่ก่อโรค COVID-19 ทีมวิจัยได้ลองเปรียบเทียบลำดับเบสและทำนายว่าจีโนม SARS-CoV-2 ที่เรารู้จักทั้งหมด 1087 จีโนม น่าจะสามารถถูกตัดทำลายได้กว่า 99% ด้วย crRNA ตัวท็อปตัวเดียวเท่านั้น
7. งานวิจัยนี้เป็นอีกหนึ่งการประยุกต์ใช้ CRISPR/Cas ที่น่าสนใจในบริบทของการกำจัดเชื้อก่อโรคภายในเซลล์ ก่อนหน้านี้มีความพยายามใช้ CRISPR/Cas9 ในการตัดทำลายไวรัสแฝงในจีโนมมนุษย์หรือสัตว์ อย่าง HIV[4] และ PERV [5] การค้นพบและศึกษา CRISPR/Cas ตระกูลใหม่ๆจาก CRISPR/Cas13 ซึ่งตัดทำลายอาร์เอนเอโดยตรงจะเป็นนำมาสู่เครื่องมือใหม่ในการต่อสู้กับไวรัสที่เป็นอาร์เอนเอล้วนๆอย่าง coronavirus, influenza virus, ebola virus, ฯลฯ จุดแข็งที่สำคัญที่สุดของระบบ CRISPR/Cas คือความ “ง่าย” ในการออกแบบและวิศวกรรมเครื่องมือนี้ให้มุ่งไปทำลำดับเบสเป้าหมายที่เราต้องการ ซึ่งต่างไปจากการใช้ยา เอนไซม์ แอนติบอดี หรือชีวโมเลกุลอื่นที่มีความซับซ้อนมากกว่ามากในการออกแบบเลือกเป้าหมาย
8. อย่างไรก็ตามงานวิจัยนี้ยังมีข้อจำกัดหลายอย่าง ข้อจำกัดสำคัญที่สุดคืองานนี้ยังไม่ได้นำไปลองใช้กับ coronavirus ตัวเป็นๆ ลองเพียงแค่กับชิ้นส่วนจีโนมที่ส่งผ่านเข้าเซลล์ผ่านทางพลาสมิตหรือไวรัสอื่น งานนี้ไม่ได้แก้โจทย์สำคัญว่าเราจะนำส่ง CRISPR/Cas13 เข้าสู่เซลล์ติดเชื้อในร่างกายผู้ป่วยจริงๆอย่างไร เพราะงานนี้ลัดขั้นตอนไปใช้เซลล์เพาะเลี้ยงที่วิศวกรรมให้มี CRISPR/Cas13 ในเซลล์แต่แรกแล้ว นอกจากนี้งานนี้ยังไม่ได้ศึกษาถึงผลข้างเคียงของการมี CRISPR/Cas ทำงานยาวๆในเซลล์มนุษย์ ไม่ได้พูดถึงความเป็นไปได้ในการเกิด collateral cleavage หรือการที่ Cas13 จะตัดอาร์เอนเอแบบสุ่มหลังจากที่มันตัดเป้าหมายแล้ว การตัดอาร์เอนเอแบบสุ่มหรือพลาดเป้าอาจจะทำให้เกิดการเสียสมดุลของระบบการแสดงออกยีนตามปกติในเซลล์ได้
9. ถ้ามองนอกกรอบเล่นๆไปในมุมของการวิศวกรรมปรับปรุงพันธุ์มนุษย์(หรือสัตว์) อีกประเด็นน่าสนใจคือถ้า CRISPR/Cas สามารถทำงานได้ในเซลล์มนุษย์ในระยะยาวและผลข้างเคียงน้อย ในอนาคตเราอาจจะสามารถวิศวกรรมมนุษย์ที่มีระบบ CRISPR/Cas พร้อมมาในร่างกายตั้งแต่เกิด พร้อมกับชุด crRNA ที่ครอบคลุมไวรัสทั้งหลายทั้งมวลที่ก่อปัญหากับเรามาตลอดประวัติศาสตร์ที่เราจำความได้ ไม่แน่ว่าวันนึงเราอาจจะได้มนุษย์พันธ์ุใหม่ที่มีภูมิคุ้มกันระดับเซลล์ปกป้องเราจากไวรัสแทบทุกชนิดตั้งแต่เกิดจนตายก็เป็นได้
อ้างอิง
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
