Mga Bagong Sistema ng CRISPR Natuklasan, Pinapahusay ang Katumpakan ng Gene Editing

Ano ang nagpapakilala sa atin? Iba sa karamihan, ngunit katulad ng ilan? Ano ang humuhubog sa ating pisikal, pag-uugali, at maging sa ating pag-iisip? Ang sagot ay nasa ating mga gene.

Naipapasa mula sa magulang patungo sa kanilang mga supling, ang mga gene ay naglalaman ng impormasyong nagtatakda ng pisikal at biyolohikal na katangian.

Ngunit hindi iyan ang lahat. Ang mga gene ay responsable rin sa mga sakit. Ang mga depektibong gene ay maaaring magdulot ng iba’t ibang problema na maaaring magpakita bilang kapansanan sa kapanganakan, pangmatagalang sakit, o mga suliranin sa pag-unlad.

Isang napaka‑advanced na paraan upang harapin ito ay sa pamamagitan ng gene o genome editing, na nagbibigay-daan sa mga siyentipiko na gumawa ng eksaktong pagbabago sa DNA. Ang gene editing ay kinabibilangan ng pagdaragdag, pagtanggal, o pagbabago ng materyal na genetiko sa tiyak na mga lokasyon.

Ang mga tiyak at target na pagbabagong ito sa DNA ay maaaring magdulot ng pagbabago sa pisikal na katangian o panganib sa sakit. 

Ang teknolohiyang ito ay hindi lamang ginagamit upang gamutin ang mga genetic na sakit sa pamamagitan ng pagwawasto ng depektibong gene kundi pati na rin upang makabuo ng mga bagong paggamot at mas malalim na pag-unawa sa function ng gene. Bukod pa rito, maaari nitong pagbutihin ang mga pananim sa pamamagitan ng eksaktong pagbabago sa kanilang DNA. Isang kilala at malawak na ginagamit na teknolohiya sa gene editing ay ang CRISPR‑Cas9, na batay sa natural na sistemang depensa ng bakterya.
Ang CRISPR‑Cas9 ay nagmula sa CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), isang sistemang immune ng bakterya na tumutulong sa mga bakterya na depensahan laban sa viral na impeksiyon sa pamamagitan ng pagkilala at pagwasak ng viral na DNA. 

Sa sistemang ito, ang CRISPR ay kumikilos bilang isang genetic homing device, habang ang Cas9, isang protina, ay gumaganap bilang molecular na ‘gunting’ upang putulin ang DNA sa mga tiyak na lokasyon. Mas simple, mas mura, at mas tumpak ito kaysa sa mga naunang teknik sa gene editing. 

Isang pamamaraan ng genome editing batay sa teknolohiyang CRISPR‑Cas9 ay aktwal na pinarangalan ng Nobel Prize sa Chemistry noong 2020. Ito ang unang pagkakataon sa kasaysayan na ang Nobel prize ay iginawad sa dalawang babae.

CRISPR: Pagbabago ng Modernong Biyolohiya sa Pamamagitan ng Gene Editing

Una nang natuklasan ang CRISPR ilang dekada na ang nakalipas. Noong 1987, sina Yoshizumi Ishino at ang kanyang koponan sa Osaka University ay nakapansin nito sa mga genome ng bakterya (E. coli). Gayunpaman, hindi hanggang unang bahagi ng 2000s natuklasan ang papel ng CRISPR bilang depensa ng bakterya.

Sa mga nakaraang taon, ang teknolohiyang ito ay lubos na umunlad at nagbabago ng modernong biyolohiya.  

Isang halimbawa nito ay ang paggamit ng CRISPR–Cas9 upang baguhin ang mga selula ng human embryo, na nagpapahintulot sa mga pagbabago sa gene na maipasa sa mga susunod na henerasyon. Ito ay malawak na tinutulan, kasama ang mga panawagan na ipagbawal ang mga namamana na pagbabago sa gene.

Bukod dito, ang CRISPR–Cas9 at mga kaugnay na teknolohiya ay matagumpay ding ginagamit upang gamutin ang mga nakamamatay na sakit. 

Sa unang tatlong buwan lamang ng taong ito, ilang mananaliksik ang gumamit ng CRISPR upang makamit ang ilang mga breakthrough.

Mas maaga ngayong buwan, isang pangkat ng mga siyentipiko sa Colossal Biosciences ang lumikha ng ‘wooly mice’—mga daga na may mahabang balahibo na kahawig ng extinct na woolly mammoth. Ginawa nila ito sa pamamagitan ng sabay-sabay na pag‑edit ng pitong gene na may kaugnayan sa paglago ng buhok, kulay, at tekstura.

Ang koponan ay nagtatrabaho sa ilang de‑extinction na proyekto, kabilang ang thylacine at dodo, kung saan ang mammoth ang kanilang pangunahing proyekto. Lahat ng proyektong ito ay kinabibilangan ng pagkuha ng stem cells mula sa isang species na malapit sa extinct na species at pagkatapos ay i‑edit ang mga pagbabago batay sa genome ng namatay na species. Para dito, gumamit ang mga mananaliksik ng mga variant ng CRISPR/Cas9 at CRISPR/Cas systems.

Noong nakaraang buwan, mga siyentipiko sa MIT’s McGovern Institute for Brain Research at sa Broad Institute of MIT and Harvard natuklasan¹ ang isang sinaunang RNA‑guided system na maaaring palawakin ang toolbox ng genome editing at pasimplehin ang paghahatid ng mga therapy sa gene editing.

Ang mga sistemang ito, na tinatawag na TIGR (Tandem Interspaced Guide RNA), ay maaaring i‑reprogram upang targetin ang anumang DNA sequence. Mayroon din silang natatanging functional modules na kumikilos sa target na DNA. Bilang karagdagan sa modularity nito, ang TIGR ay napakakompak.

Ayon kay Feng Zhang, isang Propesor ng Neuroscience sa MIT, na ang koponan ay dati nang nag‑adapt ng mga bacterial CRISPR system sa mga gene editing tool at nakahanap ng iba’t ibang programmable proteins:

“Ito ay isang napaka‑versatile na RNA‑guided system na may maraming iba’t ibang functionalities.” 

Sa kanilang pinakabagong trabaho, ang koponan ay tumuon sa isang structural feature ng CRISPR‑Cas9 protein na kumakabit sa RNA guide ng enzyme. Natuklasan nila ang higit sa 20,000 iba’t ibang Tas proteins, nag‑eksperimento sa dose‑dosen nito, at napatunayan na ang ilan ay maaaring i‑program upang gumawa ng target na pagputol sa DNA sa mga selula ng tao. Ngayon ay plano nilang paunlarin ang mga TIGR‑Tas system bilang programmable tools.

Ang mga siyentipiko ay nag‑explore pa nga ng gene editing upang itama ang trisomy sa antas ng selula. Kamakailan lamang nila matagumpay na tinanggal ang sobrang kopya ng chromosome 21 sa mga cell line ng Down syndrome gamit ang CRISPR‑Cas9, na nagbabalik ng normal na gene expression.

Ang Down syndrome ay nangyayari kapag may isang karagdagang kopya ng chromosome 21. Ang kondisyon na ito ay nakakaapekto sa halos 1 sa 700 na buhay na kapanganakan, at bagaman madaling matukoy ito sa maagang yugto, kasalukuyan ay walang lunas para dito.

Ngunit ang pinakabagong breakthrough, na nakamit sa mga selulang pinalaki sa laboratoryo, ay nagawang alisin ang sobrang chromosome mula sa mga trisomy 21 cell line, na nagmula sa parehong pluripotent stem cells at skin fibroblasts, na nag‑iiwan lamang ng isang kopya mula sa bawat magulang sa halip na dalawang magkapareho.

Bagaman hindi pa handa para sa paggamit sa mga buhay na organismo, ito ay nagpapahiwatig ng potensyal para sa aplikasyon sa mga neuron at glial cells.

Sa isa pang halimbawa, ang mga siyentipikong Tsino ay nagbuo ng mas ligtas na gene‑editing system gamit ang mga nakamamatay na virus tulad ng dengue fever upang mapabuti ang kahusayan at kaligtasan. Ang system ay gumagamit ng mRNA upang maiwasan ang panganib ng pag‑iiwan ng dayuhang DNA na maaaring magdulot ng hindi gustong mutasyon.

Ayon sa research team, ang optimized na mRNA delivery system ay “nagpapataas ng flexibility at applicability ng transgene‑free genome editing sa mga halaman.”

Kaya, ang teknolohiyang gene‑editing ay nagbago hindi lamang ng biyolohiya ng tao kundi pati na rin ng agrikultura sa pamamagitan ng pag‑modify ng DNA ng halaman upang mapahusay ang mga kanais‑nais na katangian tulad ng mataas na ani.

Sa buwang ito lamang, mga siyentipiko mula sa Johns Hopkins University at Cold Spring Harbor Laboratory ang nakatuklas ng mga susi na gene na nagdedesisyon sa laki ng prutas. Ang mga gene na ito ay maaaring kontrolin gamit ang CRISPR, na nagbubukas ng daan para sa mas malaki at mas masarap na ani.

Ang pananaliksik ay bahagi ng mas malawak na inisyatiba upang i‑map ang kumpletong genome ng 22 nightshade crops, kabilang ang patatas, talong, at kamatis, upang maunawaan at mapahusay ang kanilang mga genetic na katangian.

“Kapag nagawa mo na ang gene editing, isang butil lang ang kailangan upang magsimula ng isang rebolusyon.”

– Co‑lead author Michael Schatz, isang geneticist sa Johns Hopkins University

Lahat ng mga pag‑unlad na ito ay nagpapakita kung gaano na kalayo ang narating ng teknolohiya, ngunit ito ay simula pa lamang. Ang mga mananaliksik sa Duke University at North Carolina State University ay ngayon nakatuklas ng mga bagong CRISPR‑Cas system na higit pang nagpapalawak ng kakayahan ng umiiral na mga teknolohiya sa gene‑editing.

I‑click dito upang matutunan ang lahat tungkol sa CRISPR‑Cas9. 

Pagpapaunlad ng CRISPR: Mga Bagong Sistema na Nagpapataas ng Katumpakan ng Gene Editing

Mula nang unang matuklasan ang mga CRISPR‑Cas system sa bakterya, maraming orthologs na ang natukoy. Ang mga ortholog ay mga gene na nag‑evolve mula sa isang karaniwang ninuno sa pamamagitan ng isang speciation event. Naroroon ang mga ito sa iba’t ibang species at posibleng mapanatili ang parehong function.

Hindi bababa sa anim na uri at 33 na subtype ng orthologs ang nailarawan, ngunit sa kabila nito, ang type II systems ang pinakamalawak na ginagamit sa biotechnology at biomedical research. Ang mga type II system ay gumagamit ng Cas9 upang putulin ang DNA.

Ang kadalian ng pag‑reprogram ng mga target site ng Cas9 ay nagbigay‑daan upang ito ay maging napakapopular at nagpasimula ng isang alon ng potensyal na genome editing therapeutics. 

Gayunpaman, sa kabila ng kasaganaan ng mga bacterial CRISPR‑Cas9 system, kakaunti lamang ang epektibo sa mga selula ng tao, na naglilimita sa pangkalahatang potensyal ng teknolohiyang CRISPR. 

Ito ay lumilikha ng pangangailangan para sa karagdagang Cas9 orthologs upang palawakin ang saklaw ng mga targetable na DNA sequence. Makakatulong din ito upang mapagtagumpayan ang mga limitasyon sa laki ng delivery at mapabuti ang specificity at efficiency ng CRISPR‑Cas9 gene editing.

Kaya, ang mga mananaliksik mula sa Duke University at NC State University ay nagsuri ng libu‑libong bacterial genome para sa mga bagong CRISPR‑Cas system at nakatuklas ng ilan na maaaring idagdag sa gene editing toolbox.

Ang pag-aaral, na inilathala sa Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)² ngayong buwan, ay epektibong pinalawak ang epekto ng teknolohiya sa pananaliksik, medisina, at biotechnology.

“Talagang kamangha‑mangha na ang unang CRISPR‑Cas system na ginamit ng mga mananaliksik sa mga selula ng tao ay nananatiling pinakaepektibo. Nais naming saliksikin ang mga bakterya na matatagpuan sa mas hindi kilalang kapaligiran para sa iba’t ibang CRISPR system na maaaring may ibang kakayahan.”

– Charlie Gersbach, Propesor ng Biomedical Engineering sa Duke

Sa mga bagong natuklasang bacterial genome, isang partikular na system na nagmula sa bakterya, na karaniwang matatagpuan sa mga baka sa dairy, ay nagpapakita ng pangako para sa kalusugan ng tao.

Ang orthogonal effector na ito ay nagbibigay‑daan para sa komplementaryo at flexible na pagtutok sa iba’t ibang genetic sequence para sa susunod‑henerasyong genome editing.

Ang system ay napaka‑epektibo rin, na kahalintulad ng malawak na ginagamit na Streptococcus pyogenes CRISPR‑Cas9. Ang Streptococcus pyogenes ay ang bacterial species kung saan binuo ang CRISPR‑Cas9 at karamihan sa mga sumunod na pananaliksik gamit ang CRISPR.

Ayon kay Rodolphe Barrangou, Propesor ng Food, Bioprocessing and Nutrition Sciences sa NC State:

“Marami pang hindi napapansin na pagkakaiba‑iba ng CRISPR‑Cas system sa kalikasan kaysa sa inaakala ng mga tao, at maaaring maging napaka‑kapaki‑pakinabang ang pagmina para sa iba’t ibang effector na may functional potential bilang molecular machines.”

Ilang taon bago natanggap ng papel tungkol sa teknolohiya ang Nobel Prize, inilarawan ni Barrangou ang CRISPR bilang isang defense system sa bakterya na ginagamit sa dairy starter cultures, at mula noon, ang kanyang laboratory ay nag‑eexplore ng pagkakaiba‑iba nito para sa probiotics, paggawa ng pagkain, pag‑edit ng genome ng mga puno, at pagbabago ng katangian ng kahoy.

Sinabi ni Barrangou ang mga sumusunod tungkol sa pinakabagong pananaliksik:

“Bagaman ang ilang incumbent effectors tulad ng SpyCas9 ay nagpakita na ng malaking potensyal sa klinika, kailangan nating palawakin ang CRISPR toolbox para sa susunod‑henerasyong manipulasyon ng genome, transcriptome, at epigenome.” 

Nilikha niya ang programang tinatawag na “CRISPRdisco,” na nag‑identify ng mga CRISPR‑Cas system sa malalaking database ng bacterial genome. Ang program ay tumulong sa mga mananaliksik na matukoy ang higit sa 1000 iba’t ibang hindi pa nasusuring CRISPR system.

Pinili ng mga mananaliksik na bawasan ang mga system na iyon sa 50 kandidato para sa laboratoryo ni Gersbach na i‑engineer.

Sa pagsubok ng mga CRISPR system na ito sa mga selula ng tao para sa kanilang kakayahan bilang gene activators, repressors, at genetic at epigenetic editors, apat na system ang namumukod‑tangi dahil sa kanilang tagumpay.

Ang isa (SubCas9) ay partikular na kamangha‑mangha dahil sa kanyang versatility. Ang promising na CRISPR component na ito ay matatagpuan sa bakterya na Streptococcus uberis, na karaniwang matatagpuan sa mga baka sa dairy at ginagamit din sa ilang human probiotic products.

Nasasabik ang mga mananaliksik sa SubCas9 dahil sa ilang kadahilanan. Una, ang maliit na sukat ng bagong system —mas maliit kaysa sa karaniwang ginagamit na Cas9 DNA molecular scalpel— ay nagpapadali ng paghahatid nito sa mga selula ng tao. 

Dagdag pa rito, maaari nitong targetin ang mga natatanging gene sequence na hindi naaabot ng ibang system, kabilang ang orihinal na katapat. 

Ang karaniwang ginagamit na Cas9 ay gumagana sa mga genomic target na katabi ng DNA sequence na ‘GG,’ na “isang medyo karaniwang DNA sequence.” Gayunpaman, kung walang GG sa paligid, kailangan ng alternatibo, at ang bagong system ay nag‑aalok nito sa pamamagitan ng pagtatrabaho sa mga site na katabi ng mga pattern na “AATA” o “AGTA.”

“Ang system na ito ay nagbibigay sa mga mananaliksik ng flexibility para gumamit ng iba’t ibang Cas9 kapag kailangan nilang maging lubos na tumpak sa pagpili ng target site.”

– Gabe Butterfield, ang postdoc fellow sa Gersbach Lab

Bukod pa rito, mas mababa ang posibilidad na makilala ito ng immune system ng tao dahil ang S. uberis ay karaniwang hindi matatagpuan sa mga tao. Ito ay naiiba sa mga species ng bakterya, na ginagamit upang i‑isolate ang mas karaniwang Cas9 proteins. 

Kaya, kung gagamitin sa therapeutic application, karamihan ng immune system ng tao ay hindi makikilala ang SubCas9 mula sa isang nakaraang natural na exposure.

“Bukod sa potensyal para sa therapeutic applications, pinahahalagahan din namin na ang mga bakterya na nag‑adapt sa iba’t ibang tirahan ay nagdadala ng mga effector na mas angkop para sa iba’t ibang uri ng host, na may malaking potensyal para sa pagtuklas ng mga system na mas angkop para sa mga halaman, hayop, at mga aplikasyon sa kapaligiran.”

– Barrangou

Sa susunod na hakbang, susuriin ng mga mananaliksik ang kakayahan ng SubCas9 na lampasan ang preexisting immunity ayon sa kanilang inaasahan. Sinusubukan din nila ang pag‑incorporate nito sa ilang cell at gene therapies. Maaaring bumalik ang mga mananaliksik sa napakalaking bacterial metagenomic database upang makahanap ng higit pang CRISPR system para sa imbestigasyon.

Sa pangkalahatan, ang pinakabagong pag‑unlad sa CRISPR‑Cas9 gene editing ay nagdadala ng malaking breakthrough na maaaring lubos na mapabuti ang mga teknik ng gene therapy, na nagbibigay‑daan sa mas tumpak at epektibong paggamot para sa mga genetic disorder, kanser, at iba pang sakit. 

Dahil sa mabilis na takbo ng pananaliksik sa CRISPR, ang mga bagong system na ito ay maaaring maisama sa mga klinikal na aplikasyon sa susunod na 3 hanggang 5 taon, depende sa karagdagang beripikasyon at regulasyong pag‑appr​ova.

Inobatibong Kumpanya

Editas Medicine, Inc. (EDIT )

Ang Editas Medicine ay isang nangungunang kumpanya sa genome editing na nakatuon sa pag‑develop ng mga CRISPR‑based therapy upang gamutin ang iba’t ibang seryosong sakit.

It is a clinical‑stage genome editing company developing in vivo‑administered gene‑editing medicines, where the treatment is injected directly into the patient to edit cells inside their body. CEO Gilmore O’Neill, M.B., M.M.Sc earlier this month, while sharing business updates, said:

“Ang aming layunin at estratehiya na maging lider sa in vivo gene editing ay nag‑accelerate noong ika‑apat na quarter matapos naming makamit ang in vivo preclinical proof of concept nang mas maaga sa schedule at ibinahagi ang positibong preclinical in vivo data na nagpapakita ng potensyal ng aming platform technology upang makamit ang gene upregulation, o pagpapalakas ng expression ng isang umiiral na protina upang maabot ang klinikal na makabuluhang antas na maaaring magdala ng lunas sa iba’t ibang tisyu sa isang dosis lamang.” 

Sa kasalukuyang pagsulat, ang mga shares ng kumpanya na may market cap na $117 milyon ay nagte‑trade sa $1.41, tumaas ng 11.02% YTD. Ang EPS (TTM) nito ay -2.88, at ang P/E (TTM) ratio ay -0.48.

Mas maaga ngayong buwan, ang kumpanya iniulat ang kanilang financial results para sa ika‑apat na quarter at buong taon 2024. Ang net loss ay $45.4 milyon, o $0.55 kada share, na mas malaki kaysa sa $18.9 milyon na naitala noong Q4 2023. 

Ang kita ay bumaba sa $30.6 milyon, at ang gastusin sa research and development ay tumaas sa $48.6 milyon sa panahong ito.

Sa pagtatapos ng 2024, ang kumpanya ay may $269.9 milyon sa cash, cash equivalents, at marketable securities, bahagyang mas maganda kaysa sa nakaraang quarter. Ayon sa anunsyo ng kumpanya, inaasahan nitong gamitin ang pondo, kasama ang natitirang bahagi ng mga bayad sa ilalim ng lisensyang kasunduan nito sa Vertex Pharmaceuticals (VRTX ), upang pondohan ang parehong operating expenses at capital expenditures hanggang Q2 ng 2027.

Para sa buong taong 2024, ang net loss ay $237.1 milyon, o $2.88 kada share, ang collaboration revenues ay bumaba sa $32.3 milyon, ang R&D expenses ay tumaas sa $199.2 milyon, ang General and administrative expenses ay tumaas sa $72 milyon, at ang restructuring charges ay $12.2 milyon.

Kabilang sa mga kamakailang tagumpay ng kumpanya ang pagpapakita ng preclinical proof of concept (PoC) sa humanized mice at non‑human primates.

Ayon sa CTO na si Linda C. Burkly, Ph.D., ipinapakita nito ang kakayahan ng kumpanya na “makamit ang in vivo gene editing sa pamamagitan ng gene upregulation upang taasan ang antas ng isang gumaganang protina upang tugunan ang mga sakit na dulot ng pagkawala ng function o mapaminsalang mutasyon.” Ibinahagi pa niya ang potensyal ng gene upregulation strategy sa maraming tisyu gamit ang ‘plug ‘n play’ program.

Ibinahagi rin ng Editas na nasa tamang landas ito upang i‑anunsyo ang isang in vivo development candidate para sa Hematopoietic Stem Cells at mga selula ng atay sa kalagitnaan ng 2025, at sa pagtatapos ng taon, layunin nitong ibahagi ang higit pang preclinical in vivo HSC at data ng atay.

Sa gitna nito, tinapos ng kumpanya ang programang reni‑cel para gamutin ang sickle cell disease (SCD) matapos ang masusing paghahanap na hindi nakakuha ng commercial partner. Sa hakbang na ito, nagsimula ang kumpanya ng mga hakbang upang makatipid, kung saan babawasan nito ang bilang ng empleyado ng 65%, humigit‑kumulang 180 trabaho.

Pinakabagong Balita sa Editas Medicine, Inc.

Konklusyon

Sa nakaraang dekada, ang mga teknolohiyang batay sa CRISPR ay nagbago ng biotechnology sa pamamagitan ng pagpapahintulot sa genome editing. Nilikha nila ang iba’t ibang bagong oportunidad para sa biomedical research, therapeutic genome, at epigenome editing. 

Gayunpaman, ang kasalukuyang mga pamamaraan ay may mga limitasyon dahil sa labis na pagtutok sa iisang Cas9 effector na may limitadong kahusayan at limitado ang specificity ng target. 

Ang pagtuklas ng mga bagong CRISPR‑Cas system ay nagmamarka ng malaking pag‑unlad sa gene editing. Sa pamamagitan ng pagpapalawak ng katumpakan, kahusayan, at versatility ng kasalukuyang mga teknolohiya, ang pinakabagong pag-aaral ay nangangako ng mas target na paggamot para sa mga genetic disorder at pinahusay na resulta sa agrikultura. Sa patuloy na pag‑refine ng mga mananaliksik sa mga system na ito, kapag nakuha na nila ang real‑world adoption, ang susunod na henerasyon ng gene editing ay maaaring magbukas ng mga bagong hangganan sa medisina at biotechnology!

I‑click dito para sa listahan ng mga nangungunang kumpanya ng CRISPR na maaaring pag‑investan.