עריכה גנטית:
הדור הבא?

בשנים האחרונות מתחוללת מהפכה אמיתית בתחום ההנדסה הגנטית. הסיבה לכך היא מערכת קריספר, שמאפשרת עריכת גנים מהירה, זולה ומותאמת לכל רצף DNA שנבחר. בעזרת קריספר, חוקרים הצליחו להחדיר גנים של עכביש לעש, לגרום לתאי עור בעכברים לייצר חלבון שעוזר בוויסות מחלת הסוכרת, ועוד ועוד. כבר ב-2017 השתמשו חוקרים בקריספר כדי לתקן פגם גנטי בעוברי אדם שנמצאו בשלבים הראשוניים שלהם, בלי להשתיל את העוברים ברחם לאחר מכן, ובסוף השנה שעברה הודיע חוקר סיני על לידתן של שתי תינוקות שהגנים שלהן נערכו בעזרת המערכת. 

אך עם ההצלחה האדירה של קריספר הגיעו גם הדאגות. הדאגה החמורה ביותר נוגעת לדיוק ולבטיחות של המערכת. קריספר מסוגלת אמנם לערוך גנים ביעילות, אך לעתים קרובות היא משנה את ה-DNA לא רק באזור שאותו אנחנו רוצים לערוך, ומכניסה כך מוטציות במקומות אקראיים בגנום – מוטציות שעלולות להיות מזיקות מאוד. במחקר חדש, חוקרים מאוניברסיטת הרוורד חושפים שיטה חדשה לעריכת גנים, שמבוססת על קריספר אך מבטיחה להיות מדויקת ובטוחה הרבה יותר. עריכת פריים (prime editing), כפי שהיא נקראת, עשויה להיות השיטה שתוביל את המהפכה הבאה בהנדסה הגנטית.

עורך יעיל, אך מועד לטעויות

מקורה של מערכת קריספר הוא בחיידקים, שם היא משמשת מעין "מערכת חיסון" נגד נגיפים שתוקפים את החיידק. היא מורכבת ממולקולת RNA ומחלבון בשם Cas9. ה-RNA, שדומה במבנהו ל-DNA, מכיל רצף שתואם את רצף ה-DNA באזור שאותו אנחנו רוצים לערוך, וכך מוביל את המערכת אל המטרה. החלבון Cas9 הוא אנזים חותך DNA, והוא מבצע את פעולתו על הגן אליו הוביל אותו ה-RNA.

בשלב זה נכנסת לפעולה מערכת התיקון של התא, שתפקידה לחבר מחדש מולקולות שנחתכו מסיבה זו או אחרת. זו מערכת יעילה, אך לא חפה מטעויות, ולעתים קרובות היא מכניסה מוטציות באזור החיתוך. לכן, אם המטרה שלנו היא רק לפגוע בגן מסוים, החיתוך עשוי להספיק – התיקון הלא-מושלם של התא יעשה בשבילנו את שאר העבודה, וידאג למוטציה בגן. אם לעומת זאת אנחנו רוצים להכניס רצף משלנו לגנום, אנחנו יכולים להכניס לתא, בנוסף למערכת קריספר, גם מולקולות DNA המכילות את הרצף הרצוי. מערכת התיקון של התא יודעת להשתמש ברצפי DNA אלו ולהכניס אותם במקום החיתוך, אם כי לא תמיד ביעילות גבוהה. 

הבעיה העיקרית של קריספר היא שהגנום שלנו גדול מאוד. מולקולת ה-RNA אכן מובילה את המערכת אל רצף המטרה, אך רצפים דומים, גם אם לא זהים בדיוק, נמצאים לעתים קרובות במקומות אחרים בגנום. החלבון עלול לחתוך את ה-DNA גם במקומות אלו, ולהכניס אליהם מוטציות. ואמנם, מחקרים הראו ששימוש בקריספר מוביל להרבה מוטציות "מחוץ למטרה", עד כדי כך שחוקרים רבים הטילו ספק באפשרות כי השימוש בה  בבני אדם יהיה בטיחותי. השיטה החדשה, שמבוססת על אותה מערכת אך אינה כוללת חיתוך מוחלט של ה-DNA, נועדה לפתור את הבעיה הזו. 

בלי חיתוך שלם, בלי DNA נוסף

ה-DNA בתאים שלנו מסודר במולקולות ארוכות, הכרומוזומים, שמורכבות משני גדילי DNA התואמים זה לזה – זהו הסליל הכפול המפורסם. RNA לעומת זאת מגיע בדרך כלל בצורת מולקולות קצרות יותר, בעלות גדיל אחד בלבד. החלבון חותך ה-DNA של מערכת הקריספר, Cas9, חותך את שני הגדילים יחדיו. המערכת החדשה, מערכת עריכת פריים, משתמשת באותו חלבון, אך הוא עבר שינוי שגורם לו לחתוך רק גדיל אחד מהסליל הכפול של ה-DNA.

המרכיב השני של המערכת החדשה הוא, ממש כמו בקריספר, מולקולת RNA – אך היא ארוכה יותר ומכילה שני חלקים. החלק הראשון כולל רצף שתואם לרצף הנמצא ממש ליד האזור ב-DNA אותו אנחנו רוצים לערוך, ומסוגל להיקשר אליו. החלק הזה נקרא "אזור קשירה", כי ביולוגים לא טובים במיוחד במציאת שמות מקוריים. החלק השני מכיל את עותק ה-RNA של הרצף הערוך שאנחנו רוצים להחדיר לגנום. 

כשהמערכת מגיעה לאזור הנכון, ה-RNA נקשר לאחד הגדילים ב-DNA והחלבון חותך את אותו גדיל, בלי לפגוע בגדיל השני, כך שהסליל הכפול נפתח כמו פתיחה של רוכסן. הגדיל החופשי, שקצה אחד שלו נחתך, מחובר בחלקו לגדיל ה-RNA באזור הקשירה שלו. החלק השני של מולקולת ה-RNA נשאר "חופשי", ואינו צמוד לגדיל DNA (ראו איור).

כאן נכנס לתמונה המרכיב השלישי, והחדש, במערכת הפריים: האנזים רוורס טרנסקריפטאז (reverse transcriptase). במהלך הפעילות הרגילה של התא, רצפים של DNA מועתקים ל-RNA, שיוצא מגרעין התא, שם שמור ה-DNA, ומשמש מעין "עותק עבודה" לייצור חלבונים. לכן יש בתא אנזימים שתפקידם לייצר מולקולת RNA על פי תבנית של DNA. רוורס טרנסקריפטאז, כמשתמע משמו, עושה בדיוק את ההפך: מרכיב גדיל של DNA לפי תבנית של RNA. במקרה זה, הוא יוצר רצף DNA חדש בהמשך לגדיל ה-DNA הקשור ל-RNA, לפי הרצף שנמצא על מולקולת ה-RNA – זהו הרצף הערוך שרצינו להכניס לגנום. את השאר עושים חלבוני התא, שיודעים לחבר מחדש את הגדיל החתוך, וכך להכניס את הרצף החדש, הערוך, לתוך הגנום. 

"עם עריכת פריים, אנו יכולים לתקן באופן ישיר את המוטציה שגורמת לאנמיה חרמשית, או להסיר את ארבעת בסיסי ה-DNA העודפים שגורמים למחלת טיי זקס, בלי לחתוך לגמרי את ה-DNA ובלי שנצטרך תבניות DNA" אמר דיויד ליו (Liu) ממכון ברוד (Broad), שבמעבדתו נערך המחקר.

בלי לחתוך לגמרי את ה-DNA ובלי תבניות DNA. עריכת פריים | Susanna M. Hamilton, Broad Institute. לחצו להגדלה

דיוק וגמישות

בשיטה החדשה אין צורך להכניס לתא מולקולות DNA ולקוות שהתא יכניס אותן לגנום במקום החיתוך: כל המרכיבים, כולל הרצף הערוך, כבר נמצאים שם כחלק מהמערכת. חשוב מכך, החלבון בעריכת פריים אינו חותך את שני גדילי ה-DNA ולא מפעיל את מערכת תיקון ה-DNA של התא, שנוטה להכניס מוטציות. בנוסף, בשביל שמערכת עריכת פריים תבצע שינוי ב-DNA, הרצף בגן המטרה צריך להתאים באופן מלא או כמעט מלא לאזור הקשירה של מולקולת ה-RNA – אחרת החלבון רוורס טרנסקריפטאז לא יוכל לבצע את עבודתו. בקריספר, לעומת זאת, נדרשת התאמה טובה פחות בשביל שהחלבון יחתוך את ה-DNA. עובדה זו מבטיחה שבמערכת החדשה יווצרו פחות מוטציות בלתי רצויות.

ואמנם, החוקרים הציגו ניסויים בתאי תרבית, שבהם המערכת החדשה ערכה את גן המטרה וביצעה מעט מאוד שיניים באזורים אחרים – כמעט פי חמישה פחות מהשינויים "מחוץ למטרה" שמבצעת מערכת קריספר. "אנחנו לא מכירים טכנולוגית עריכה אחרת בתאי יונקים שמציעה רמה כזו של דיוק וגמישות, עם כל כך מעט תוצרי לוואי", אמר ליו.

כמו לכל דבר, גם למערכת החדשה יש חסרונות. העיקרית שבהן היא שניתן להכניס בעזרתה לגנום רק רצפים קטנים יחסית: מולקולות RNA ארוכות, שיכולות לשאת רצפים ארוכים יותר, אינן יציבות ומועדות להתקפות מצד חלבונים של התא, שרואים בהן פולש זר. מסיבה זו עריכת פריים לא צפויה להחליף לחלוטין את קריספר, אמר הביולוג המולקולרי אריק סונתיימר (Sontheimer), שלא היה מעורב במחקר, לאתר Nature: "סוגים שונים של פלטפורמות לעריכת גנים עדיין יידרשו עבור משימות עריכה שונות".

עם זאת, אם המערכת החדשה תוכיח את עצמה, היא עשויה להיות צעד חשוב בדרך לריפוי מחלות גנטיות, כמו גם לשימוש בהנדסה גנטית כדי לטפל בסרטן ובמחלות נוספות. חוקרים רבים מנסים לפתח טיפולים כאלו, אך בינתיים בהצלחה חלקית בלבד. האם עריכת הפריים היא שתוביל למהפך? המחקרים הבאים, שבוודאי יגיעו בקרוב, יוכלו לענות על כך. "המחקר הראשון הוא רק ההתחלה, לא הסוף, של השאיפה ארוכת הטווח: שנוכל לבצע כל שינוי שנרצה ב-DNA", אמר ליו.