קריספר/Cas9: מערכת ההגנה של חיידקים

אף אחד אינו אוהב להיות חולה. אנו משתעלים, מתעטשים, וסובלים מחום ומכאבים. כל הדברים הללו הם סימנים לכך שמערכות ההגנה של הגוף, אשר מכונות בשם כולל 'המערכת החיסונית', מנסות להגן עלינו מפני פולשים זעירים שמחוללים מחלות. עם אלה נמנים נגיפים, שגורמים למחלות כמו הצינון השכיח, או למחלת נגיף הקורונה (קוֹבִיד-19). האם ידעתם שנגיפים עלולים להדביק גם מגוון אורגניזמים אחרים, בכלל זה חיידקים זעירים? הנגיפים שמדביקים חיידקים נקראים בַּקְטֶרְיוֹפָאגִ'ים. על אף שהיא די שונה מהמערכת החיסונית של בני האדם, גם לחיידקים יש מערכת הגנה ששומרת עליהם מפני הידבקוּיוֹת. מערכת זו נקראת קריספר/Cas9 [1]. כשבקטריופאג' מדביק חיידק, הנגיף מזריק את החומר הגנטי שלו אל תוך החיידק. החיידק מזהה את הפולש, ובעזרת קריספר/Cas9, חותך את החומר הגנטי לפיסות, כדי לעצור את ההידבקות. לאחר מכן, החיידק שומר חתיכה מהחומר הגנטי של הנגיף, כדי שאם אותו נגיף ידביק אותו בעתיד, החיידק יוכל להגיב מהר יותר כנגד הפולש.

מהי קריספּר/Cas9?

באנגלית, קריספּר (CRISPR), הם ראשי התיבות של 'חזרות פָּלִינְדּרוֹמִיוֹת מקובצות קצרות וסדירות בין רצפים' (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). זה נשמע כמו ביטוי 'שובר שיניים', אך כאשר תמשיכו לקרוא, תבינו את השם המסובך הזה!

כמו כל האורגניזמים, חיידקים מכילים חומר גנטי בשם דנ''א .(DNA) הדנ''א מורכב מארבע אבני בניין שונות, הנקראות נוּקְלֵאוֹטִידִים: אָדֶנִין (A), גּוּאָנִין (G), צִיטוֹזִין (C) ותִימִין (T). הָרֶצֶף של ארבע אבני הבניין הללו הוא הַצֹּפֶן להוראות ליצירת האורגניזם, בדומה לדרך שבה רצפים של אותיות יוצרים מילים. במקומות מסוימים, הקוד יוצר רְצָפִים פָּלִינְדְּרוֹמִיים, שאותם ניתן לקרוא באותה צורה מההתחלה ומהסוף. המילה 'תּוּת' היא דוגמה לפלינדרום. פלינדרום של דנ''א יכול להיראות כך: TAGCGAT. בדיוק כמו במילה 'תּוּת', אפשר לקרוא את הרצף TAGCGAT מההתחלה אל הסוף, ומהסוף אל ההתחלה, וְסֵדֶר האותיות ברצף לא ישתנה. כעת, דַּמְיְנוּ שישנם כמה עותקים של הרצף TAGCGAT בדנ''א. נוכל לכנותם 'חזרות' פלינדרומיות קצרות, כיוון שהם חוזרים על עצמם. אם החזרות הללו מופיעות בקבוצות לאורך צופן הדנ''א, אנו אומרים שהן 'מְקֻבָּצוֹת'. כיוון שהחזרות הפלינדרומיות הללו מופרדות על ידי רצפי דנ''א אחרים, אנו אומרים שהן 'בין רצפים'. אם תְּחבּרו הכול יחד, תגלו שמתקבל: 'חזרות פלינדרומיות מקובצות קצרות וסדירות בין רצפים' - קריספר! לסיום, Cas-9 כלול בשם הזה כיוון שזהו חלבון חשוב הנמצא בשימוש במערכת קריספר, שאותה נתאר בהמשך.

איך קריספר/Cas9 מסייעת למדענים?

אולי אתם תוהים מדוע מערכת ההגנה של חיידקים חשובה כל כך למדענים. מדענים הבינו איך להשתמש במערכת קריספר/Cas9 כדי לערוך את רצף הדנ''א או לשנותו. תגלית זו, של דרכי השימוש בקריספר/Cas9 במעבדה, הייתה חשובה מאוד עבור הקהילה המדעית – כה חשובה, עד שבשנת 2020, שתי חוקרות מתחום הבִּיוֹכימיה שעזרו לגלותהּ (עמנואל שרפנטייה מִצָּרְפַת, וג'ניפר א. דאודנה מארה''ב) קיבלו את הפרס המדעי החשוב ביותר – פרס נוֹבֶּל לכימיה.

כפי שֶׁצִּיַּנּו, הַנּוּקְלֵאוֹטִידִים המרכיבים את הדנ''א יוצרים קוד המכיל את ההוראות ליצירת האורגניזם כולו. מִקְטְעֵי דנ''א המקוֹדדים תכונה מסוימת, לדוגמה, צבע פרוותו של כלב, נקראים גֶּנִים. נניח שאנו יודעים איזה גֶּן אחראי על צבע פרוותו של הכלב. אם סדר הנוקלאוטידים בגן הזה משתנה, צבע הפרווה של הכלב ישתנה. מדוע? כיוון ששינינו את ההוראות ליצירת הצבע הזה (איור 1).

במטרה להבין כיצד אנו משתמשים במערכת קריספר/Cas9 כדי לערוך גנים, עליכם לדעת קודם מָהֵם המרכיבים של המערכת הזו, ולהבין כיצד הם פועלים. ראשית, המדענים נדרשים לדעת מהו סדר הנוקלאוטידים, כלומר, מהו רצף הגן שהם מעוניינים לערוך. למרבה המזל, ישנם אתרי אינטרנט המכילים את המידע הזה. כאשר רצף הגן ידוע, החלק הראשון של מערכת קריספר/Cas9 שבו עלינו להשתמש, הוא חלבון מיוחד בשם Cas9. חלבון זה פועל כמו מספריים שחותכים את הדנ''א. Cas9 יכול לחתוך את הדנ''א בכל מקום שהוא, אך אנו רוצים שיחתוך רק את הגן שבו אנו מעוניינים. כדי להביא את ה- Cas9למקום הנכון, יש צורך ברכיב בשם רנ''א מדריך, הפועל כמו נקודות ציון של מערכת איכּוּן (GPS), ומכוון את ה-Cas9 לרצף שאנו רוצים לחתוך. אנו מתכננים את הרנ''א המדריך מרצף הגן, כך שה-Cas9 יחתוך את הדנ''א במיקום המדויק (איור 2A). ליד הרנ''א המדריך יש אתר PAM. זהו רצף של שלושה נוקלאוטידים, המְּתַפְקֵד כמו קווים מקווקווים, שמראים ל-Cas9 איפה לחתוך את הדנ''א. אנו מוצאים אתר PAM בקִרבה המְּרבית לאזור שאנו רוצים לחתוך (איור 2B). הרכיב האחרון נקרא תבנית תיקון. זוהי פיסה של דנ''א עם הרצף החדש שאנו רוצים שהגן יכיל (איור 2C). באמצעות תבנית התיקון ביכולתנו להעתיק חלקים של רצף הדנ''א, להדביק אותם, להוסיפם או למחוק אותם, בדיוק כפי שעורכים משפטים במסמך תוכנת עיבוד התמלילים ווֹרְד! לדוגמה, נניח שאנו רוצים להוסיף את הנוקלאוטידים ATGCTA לגן שלנו. תבנית התיקון תכיל את הרצף ATGCTA וגם קצת דנ''א מכל צד, אשר תּוֹאֵם לגן המקורי, כדי להגדיר לתבנית התיקון לאן ללכת. אז, לאחר שֶׁתִּקַּנּו את הדנ''א, אפשר להדביק את הנוקלאוטידים החדשים בתוכו, בדיוק במקום שאנו רוצים שיהיו (איור 2D), וכך מתקבל הגן הערוך שלנו.

מקרא המסגרת העליונה (משמאל לימין): המספריים – Cas9; מערכת האיכּון המתאמת, GPS – רנ''א מדריך; אתר החיתוך: PAM; התיקון: תבנית תיקון.

אֵילוּ דברים ניתן לחקור בעזרת קריספר?

עכשיו, כשמדענים מבינים טוב יותר את כְּלִי עריכת הגנים, קריספר/Cas9, אֵילוּ דברים הם יכולים לבצע באמצעותו? באיור 3 ניתן לראות דוגמאות לכך. קריספר משמש לעיתים קרובות למחקר אורגניזמים כמו חיידקים; שְׁמָרִים; תולעים; צמחים ועכברים, כיוון שֶׁקַּל להשתמש בהם במעבדה [2]. הזנים הללו יכולים לְסַפֵּק למדענים מידע רב על אודות דנ''א אנושי והדרך שבה גנים מְתַפְקְדִים, מאחר שישנם גנים אנושיים שהם זהים, או דומים מאוד, לגנים של זנים אחרים.

מחלות אנושיות מסוימות נגרמות עקב טעויות בדנ''א – טעויות אשר עלולות לעבור מדור לדור. מדענים ורופאים עֲמֵלִים על פיתוח טיפולים למחלות הללו באמצעות קריספר/Cas9, על ידי מציאת הטעויות הללו בדנ''א ותיקונן. סוג הטיפול הזה במחלות נקרא ריפוי גֶּנִי, וכֵּיוון שהוא חדשני מאוד, עדיין לא סיימו לערוך בו ניסויים בבני אדם. אם תהיינה הוכחות כי הריפוי הגני בבני אדם באמצעות קריספר/Cas9 בטוח לשימוש, מִמצא זה עשוי להיות נתיב סיוע מבטיח לאנשים הסובלים ממחלות שנגרמות על ידי טעויות בדנ''א.

כמה מגניב יהיה לראות ממותה צמרית או דינוזאור מתהלכים שוב על פני כדור הארץ?

מדענים מאמינים כי ביכולתם להשתמש בקריספר/Cas9 כדי להשיב חיות שנכחדו!

לאחרונה, מדענים עשו שימוש מוצלח בקריספר/Cas9 לשינוי תאֵי פיל, כך שיכילו דנ''א של הממותה הצמרית שנכחדה. השינויים הללו עשויים לעזור להעניק לפילים מאפיינים של ממותה צמרית, כמו פרווה צמרית, שיסייעו לפילים לשרוד במזג האוויר הקר.

גם חֲבָרוֹת יכולות להשתמש בקריספר/Cas9 כדי לייצר מוצרים חדשים. תָּאֲרוּ לכם כמה טעים יהיה לאכול עגבנייה חריפה! מדענים חוקרים כיצד לשנות את הדנ''א של עגבנייה, כך שהיא תוכל לייצר קָפְּסָאִיצִין (capsaicin) – החומר שהופך את פלפל הצ'ילי לחריף. רוטב סַלְסָה לעולם לא ישוב להיות כקדמותו! מדענים אחרים משתמשים בקריספר/Cas9 כדי לפתֵּחַ זנים חדשים של צמחים, כמו תירס. הזנים החדשים יכולים לגדול אפילו בתנאי מזג אוויר קיצוני, כמו בצורת וגלי חום הנגרמים בְּשֶׁל שינויי האקלים עקב ההתחממות העולמית.

עם כוח גדול באה אחריות גדולה

לקריספר/Cas9 ישנם שימושים מְרגשים, אך הקהילה המדעית מעוניינת לחוקק חוקים בינלאומיים כדי לוודא שמשתמשים בטכנולוגיה זו באופן בטוח ומוסרי. אֶתִיקָה היא קווי היסוד שלפיהם מדענים צריכים לפעול, כך שעבודתם תגן על בריאות הציבור ובטיחותו. אתיקה מבטיחה כי כל המחקר המתקיים מתבצע בצורה המכבדת את זכויות האדם, את שלום החיות ואת החוק, כך שמדענים לא יִפְגעו באנשים, בחיות או בסביבה. מאחר שֶׁקַּל להשתמש בקריספר/Cas9, וכיוון שעלותו אינה גבוהה, קשה לשלוט באנשים המשתמשים בו, כמו גם במטרות שֶׁלִּשְׁמָן הוא מנוצל [3]. מדענים החליטו כי עריכת גנים היא אֶתִית כל עוד משתמשים בה כדי למנוע מאנשים לחלות, או אם היא מועילה בריפוי אנשים חולים. עם זה ישנן שאלות אחרות שנותרות בעינן, לדוגמה, אם בטוח להחזיר לחיים את הממותה הצמרית. האם אתם חושבים שמדענים צריכים להשיב לחיים חיות נכחדות, או להנדס מזון? אלה הן שאלות חשובות!

האם הייתם לוקחים את הסיכון הכרוך בשינוי הדנ''א של האחיות ושל האחים שלכם לפני שהם נולדים, אפילו אם הייתם יודעים כי טעות קטנה עלולה לגרום לתוצאות הרות-אסון? מַרבית הקהילה המדעית אינה תומכת בלקיחת הסיכונים הללו. אולם, בעבר נערך מחקר שנוי במחלוקת בעֻבָּרִים אנושיים, שעשה שימוש בקריספר/Cas9. מדען סיני בשם הֶא ג'יאנקוי שינה את הדנ''א של שני עֻבָּרִים תאומים לפני שנולדו. דבר זה יצר שערורייה בינלאומית, כיוון שג'יאנקוי הֵפֵר את חוקי האתיקה בכך שערך גנטית עוברים אנושיים [4]. מדענים נדרשים להביא בחשבון שכאשר משתמשים בטכנולוגיה זו בצורה בלתי אחראית, ישנם סיכונים אפשריים. מסיבה זו, ארגון הבריאות העולמי (WHO) וארגונים אחרים מְנַטְּרִים בקפדנות מחקר העוסק בעריכת הַגֶּנוֹם האנושי, כדי שהדבר ייעשה בצורה אחראית.

סיכום

מערכת קריספר/Cas9 מגינה על חיידקים מפני נגיפים. כיום, מדענים גם משתמשים בה לעריכת דנ''א של אורגניזמים במעבדה. היכולֶת לשנות את הדנ''א במעבדה מאפשרת לנו להבין טוב יותר כיצד הדנ''א פועל; לטפֵּל במחלות ולפתֵּח מוצרים חדשים. לטכנולוגיית קריספר/Cas9 ישנם יתרונות רבים, אם משתמשים בה בצורה אחראית. בד בבד, עָלֵינוּ לשמור על חוקי האתיקה כדי להבטיח שאף אחד לא ייפּגע בתהליך. לפעמים, פיתוחים טכנולוגיים חדשים מתרחשים במהירות כה גדולה, עד שלמדענים ולקובעי המדיניות לא נותר מספיק זמן להתכונן לקראתם. בתור מדענים, עָלֵינוּ לחשוב תמיד על הסיכונים הכרוכים בפעולותינו, תוך שאנו שואפים לשיפור חיי האנשים.

מילון מונחים

בַּקְטֶרְיוֹפָאגִ'ים (Bacteriophage): ↑ סוג של נגיף המדביק חיידקים בלבד.

נוּקְלֵאוֹטִיד (Nucleotide): ↑ אחת מארבע אבני הבניין המרכיבות את הדנ''א: אָדֶנִין (A), גוּאָנִין (G), צִיטוֹזִין (C) ותִימִין (T).

רצפים פָּלִינְדְרוֹמִיים (Palindromic Sequence): ↑ סדר מסוים של נוקלאוטידים שניתן לקרוא בצורה זהה מההתחלה אל הסוף ומהסוף אל ההתחלה. לדוגמה, TAGCGAT הוא רצף פלינדרומי.

Cas9: ↑ חלבון הפועל כמו מספריים כדי לחתוך את הדנ''א. החלבון הזה הוא רכיב מהותי בקריספר/Cas9, ולכן הוא כלול בשמו!

רנ''א מדריך (Guide RNA): ↑ גְּדִיל רנ''א קטן המוביל את ה-Cas9 למקום שבו צריך לחתוך את הדנ''א.

אתר PAM (PAM Site): ↑ רצף של שלושה נוקלאוטידים בסדר NGG (ה-N יכול לציין כל אחת מארבע אבני הבניין: A, G, T או C). הרצף הזה מְתפקד כמו קו מקווקו, שבו ה-Cas9 חותך את הדנ''א.

תבנית תיקון (Repair Template): ↑ רצף של דנ''א שהמדענים מְעַצְּבִים, המיועד לתקן את הדנ''א בַּמקום שהוא נחתך. דבר זה נעשה על ידי הוספַת דנ''א, מחיקתו או שינויו.

ריפוי גֶּנִי (Gene Therapy): ↑ שיטת טיפול במחלות הנגרמות על ידי מוּטציוֹת בדנ''א. תיקון הדנ''א עשוי להוביל לריפוי המחלה.

אֶתִיקָה (Ethics): ↑ מַעֲרַךְ חוקים שנועדו להבטיח כי עבודת המדענים אינה פוגעת בחיות או בבני אדם.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כל המחקר נערך בהעדר כי קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.