Giới thiệu hệ thống CRISPRCas9 trong chọn giống cây trồng

CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) là công cụ chuyển gen hiện tại hiện nay. Chúng ta biết rằng, hệ thống sửa sai CRISPR/Cas của vi khuẩn giúp chúng đáp ứng với những sai hỏng của DNA và từ đó thực hiện quá trình sửa sai bằng cách kích hoạt một loại các tín hiệu hỗ trợ khác nhau.

Giới thiệu

Hiện nay, các phương pháp tạo đột biến không định hướng bằng hóa chất, tia UV thường tạo ra vô số đột biên ngẫu nhiên, khó kiểm soát được. Đồng thời, các công cụ chuyển gen lại gặp nhiều rào cản về cây trồng GMO. Thay vào đó, hệ thống CRISPR/Cas9 tạo ra các đột biến chính xác trên các vị trí đã định hướng. Đột biến có thể được tạo ra trên từng gen hay nhiều gen, thậm chí là trên các họ gen khác nhau. Bài viết này trình bày một số kiến thức cơ bản nhất về hệ thống CRISPR/Cas9.

CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) là công cụ chuyển gen hiện tại hiện nay. Chúng ta biết rằng, hệ thống sửa sai CRISPR/Cas của vi khuẩn giúp chúng đáp ứng với những sai hỏng của DNA và từ đó thực hiện quá trình sửa sai bằng cách kích hoạt một loại các tín hiệu hỗ trợ khác nhau.

Tuy đã được nghiên cứu rất lâu (tầm những năm 80 của thế kỷ XX) nhưng hệ thống CRISPR/Cas9 mới được quan tâm nhiều khoảng vài năm gây đây và đã đạt được giải thưởng danh giá Nobel Hóa Học 2020 dành cho hai nhà khoa học Emmanuelle Charpentier và Jennifer A. Doudna.

CRISPR/Cas9 có ưu điểm là dễ dàng thiết kế và sử dụng với độ chính xác cao… Hệ thống CRISPR/Cas9 đang được ứng dụng trên nhiều đối tượng nghiên cứu khác nhau như vi sinh vật, thực vật, động vật và cả trên tế bào người.

Một số ưu điểm của hệ thống CRISPR/Cas9

• Có thể thiết kế cho bất kỳ gen nào cần chỉnh sửa.
• Chỉnh sửa đặc hiệu dựa trên trình tự đích.
• Có thể mang nhiều sgRNA để chỉnh sửa đồng thời cho nhiều vị trí.
• Tạo ra nhiều dạng đột biến.
• Đơn giản, hiệu quả, phổ biến.
• Có thể tạo và chọn lọc cây mang đột biến định hướng gây mất chức năng gen.
• Không mang gen chuyển.

Cơ chế phân tử

Hệ thống CRISPR/Cas9 dựa trên hai thành phần chính: RNA dẫn đường (guide RNA, gRNA) và enzyme Cas9 nuclease (CRISPR-associated nuclease, Cas) .

• gRNA là chuỗi RNA nhận biết vùng DNA mục tiêu định hướng và chỉ dẫn enzyme Cas nuclease đến đó để chỉnh sửa sai hỏng.
• Có một protein liên kết với CRISPR, là một endonuclease không đặc hiệu, được gRNA mang đến vị trí DNA cụ thể, nơi nó tạo ra sự đứt gãy sợi kép.

Hệ thống CRISPR/Cas9 bao gồm RNA dẫn đường (gRNA) và enzyme Cas9 nuclease cùng nhau tạo thành phức hợp ribonucleoprotein (RNP).

Để có thể hoạt động, hệ thống CRISPR còn yêu cầu một trình tự ngắn trên DNA đích được gọi là protospacer associated motif (PAM) ngay sau đoạn bổ sung của gRNA.

Sau đó, enzyme Cas9 nuclease tạo ra sự đứt gãy sợi kép trong DNA (được biểu thị bằng cái kéo).

Các cơ chế sửa chữa nội sinh (như HDR, NHEJ,…) được kích hoạt bởi sự đứt gãy sợi đôi dẫn đến loại bỏ các gen thông qua đột biến dịch khung và thay thế trình tự mong muốn nếu có sẵn DNA bản mẫu.

Dựa vào kỹ thuật CRISPR/Cas9 các nhà khoa học có thể thêm, xóa và thay thế các đoạn gen mong muốn với mục tiêu nghiên cứu của mình.

CRISPR/Cas9 trong chọn giống cây trồng

Trong chọn giống cây trồng, hệ thống CRISPR/Cas9 đã được ứng dụng thành công trong chỉnh sửa hệ gen của nhiều loài thực vật khác nhau như cà chua, khoai tây,… và cả thực vật thủy sinh.

Hệ thống CRISPR/Cas9 đã được áp dụng thành công trong việc tạo ra các đột biến tiềm năng trên trình tự gen mong muốn.

Hệ thống CRISPR/Cas9 có thể tạo ra các đột biến định hướng, có thể tác động tới nhiều gen cùng một lúc và đặc biệt là các đột biến tạo được không mang theo bất cứ trình tự DNA ngoại lai nào trong hệ gen.

Triển vọng của hệ thống CRISPR/Cas9 trong chọn giống có thể giúp nâng cao chất lượng nông sản, tăng tính kháng virus, vi khuẩn, nấm, thuốc trừ cỏ…; tăng tính chống chịu điều kiện ngoại cảnh bất lợi bao gồm hạn hán, lạnh, mặn, thiếu dinh dưỡng…

Đặc biệt, các dòng cây mang các tính trạng nông học quý được tạo ra bằng công nghệ này không chứa đựng bất kỳ đoạn ADN ngoại lai nào trong hệ gen nên không được xem là cây trồng biến đổi gen và được sử dụng như các giống cây trồng tạo được bằng các phương pháp truyền thống.

Ứng dụng CRISPR/Cas9 tại Việt Nam

Tại Việt Nam, nhiều nghiên cứu và ứng dụng hệ thống CRISPR/Cas9 trong chọn giống cây trồng đã và đang thực hiện như chọn tạo giống cà chua của Viện CNSH – Viện HLKH&CN Việt Nam, chọn tạo giống dưa leo của Trung tâm CNSH TP. HCM, chọn tạo giống khoai tây của Trung tâm NC&UDNNCNC,….

Những kết quả bước đầu cho thấy tiềm năng và triển vọng của hệ thống CRISPR/Cas9 thay thế cho phương pháp lai tạo giống cây trồng truyền thống hiện nay ở Việt Nam.

Tuy nhiên, đối với trong nước thì công cụ chỉnh sửa gen vẫn còn mới mẻ. Trong tương lai, những cây trồng phổ biến như lúa, ngô,… có thể được ứng dụng nghiên cứu trong nước để tạo ra các giống cây trồng có sức chống chịu dịch bệnh, chống chịu các điều kiện bất lợi cao, thích ứng với môi trường khắc nghiệt,… trước sự thay đổi nhanh chóng của biến đổi khí hậu và dịch bệnh hiện nay trên cây trồng.