מספריים שיודעים לקרוא
כל תא בגוף שלכם נושא כ־3 מיליארד אותיות של DNA בכל עותק של הגנום שלו. כדי לשנות גן אחד בכוונה צריך כלי שיכול למצוא בתוך כל זה קטע יחיד של אולי 20 אותיות, לחתוך שם ולא בשום מקום אחר, ואז לתת לתא לכתוב אותו מחדש.
עריכת גנים בקריספר (CRISPR) עושה זאת בעזרת חלבון ששאלו מחיידקים, Cas9, וקטע RNA קצר שאומר לו לאן ללכת. בשנת 2012 הראו עמנואל שרפנטייה וג’ניפר דאודנה שאפשר לכוון את Cas9 לכל רצף שהוא רק על ידי שינוי ה־RNA; על העבודה הזאת הן זכו בפרס נובל לכימיה לשנת 2020.
שאול ממערכת החיסון של חיידקים
חיידקים מותקפים על ידי נגיפים שנקראים פאג’ים. רבים מהם שומרים תיעוד של תוקפים קודמים: קטעים קצרים של DNA נגיפי, שמאוחסנים בגנום שלהם עצמם בין רצפים קצרים שחוזרים על עצמם. החזרות האלה נתנו למערכת את שמה: רצפים חוזרים פלינדרומיים קצרים, מקובצים ובמרווחים קבועים, ובאנגלית clustered regularly interspaced short palindromic repeats, או בקיצור CRISPR.
החיידק מעתיק כל קטע שמור ל־RNA ומטעין אותו לתוך Cas9. אם אותו נגיף חוזר, Cas9 מזהה את ה־DNA הנגיפי התואם וחותך אותו. לעריכת גנים, החוקרים כותבים קטע משלהם בן 20 אותיות, שנקרא RNA מנחה, כך שיתאים לגן שהם רוצים לשנות.
למצוא את המטרה
Cas9 לא יכול לקרוא DNA דרך הסליל הכפול הסגור שלו. במקום זאת הוא מחפש קודם אות קצר מבחוץ, הPAM: אצל ה־Cas9 הנפוץ, מהחיידק Streptococcus pyogenes, זו כל אות שאחריה שתי אותיות G (וכותבים NGG). רק במקום שבו הוא מוצא אחד כזה הוא מפריד את שני הגדילים, החל מהצד הסמוך ל־PAM, ומציע את ה־RNA המנחה שלו לגדיל שמתחת.
ה־RNA המנחה מזדווג אות אחר אות, A עם T ו־G עם C, אותו כלל שמחזיק את הסליל הכפול. אם אות לא מזדווגת קרוב ל־PAM, הפתיחה נעצרת, ה־DNA נסגר בחזרה כמו רוכסן, ו־Cas9 ממשיך הלאה. רק כשכל 20 האותיות מזדווגות, Cas9 משנה את צורתו וננעל במקום. הבדיקה של ה־PAM קודם חוסכת מ־Cas9 לפתוח את ה־DNA בכל מקום, והיא גם מגינה על החיידק: לקטעים השמורים שלו עצמו אין PAM לידם, ולכן Cas9 אף פעם לא חותך אותם.
נסו: קבעו את RNA מנחה על אות אחת שגויה, ליד ה־PAM וגררו את הרצת העריכה לאט דרך האמצע. האות האדומה עוצרת את הפתיחה אחרי שלושה זוגות, ו־Cas9 נסחף משם בלי לחתוך.
עשרים אותיות מספיקות כדי להיות כמעט ייחודיות: יש בערך טריליון רצפים שונים של 20 אותיות, וגנום אנושי מכיל כמה מיליארדים. אבל הבדיקה לא מושלמת. לאותיות בקצה הרחוק מה־PAM יש פחות משקל, ולכן RNA מנחה עם אות שגויה אחת שם עדיין יכול להינעל. כך קריספר יוצר חיתוכים מחוץ למטרה, בגנים שאף אחד לא התכוון לגעת בהם. בחרו אות אחת שגויה, בקצה הרחוק כדי לראות חיתוך כזה.
החיתוך, והתיקון
אחרי שהוא ננעל, Cas9 חותך את שני הגדילים של ה־DNA, כל אחד בלהב משלו, שלוש אותיות מה־PAM. חיתוך שעובר דרך כל הסליל הכפול מסוכן לתא, ולכן התא מתקן אותו מהר, באחת משתי דרכים.
הדרך המהירה היא חיבור הקצוות ישירות זה לזה. היא מהירה אבל רשלנית, ולעיתים קרובות מוסיפה או מסירה אות או שתיים. מכיוון שגן נקרא שלוש אותיות בכל פעם, בקודונים, אות נוספת אחת מזיזה את כל הקודונים שאחריה מהמקום הנכון. ההודעה המשובשת מגיעה עד מהרה לקודון סיום, והחלבון לעולם לא נבנה עד סופו: הגן כובה, או בלשון המקצוע הושבת (נוקאאוט).
הדרך הזהירה היא העתקת תבנית. אם החוקרים מספקים קטע DNA שהקצוות שלו תואמים את ה־DNA משני צידי השבר, התא יכול להעתיק אותו אל תוך הפער, כולל כל אות חדשה שבאמצעו. כך נכתב בדיוק השינוי שהם תכננו. השיטה עובדת בעיקר בתאים מתחלקים, ומצליחה לעיתים רחוקות יותר מחיבור הקצוות.
נסו: גררו את הרצת העריכה אל גן מתוקן כשתיקון קבוע על חיבור הקצוות, ואז עברו להעתקת תבנית והשוו את אריחי הקודונים שמתחת ל־DNA.
לערוך בני אדם
התרופה הראשונה המבוססת על קריספר, שאושרה בבריטניה ובארצות הברית החל מסוף 2023, מטפלת באנמיה חרמשית ובבטא תלסמיה. הרופאים לוקחים מהמטופל תאי גזע של הדם, משתמשים ב־Cas9 כדי לחתוך קטע DNA שאחרי הלידה משבית את הצורה העוברית של ההמוגלובין, ומחזירים את התאים לגוף. הקצוות שחוברו ברשלנות שוברים את הקטע הזה, ותאי הדם האדומים החדשים מייצרים את הצורה העוברית, שאינה גורמת להם להתעקם לצורת חרמש.
כלים חדשים יותר בנויים על אותו RNA מנחה. עורכי בסיסים ועורכי פריים משתמשים ב־Cas9 מנוטרל שחותך רק גדיל אחד או לא חותך את ה־DNA בכלל, ומשנים אותיות בלי ליצור שבר מלא. עריכה של עובר הייתה משנה כל תא בגופו של האדם ועוברת לילדיו; כשחוקר עשה זאת לתאומות בשנת 2018, הוא זכה לגינוי נרחב ונשלח לכלא, ורוב המדינות אוסרות זאת.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
הגן כאן קצר ומומצא, וה־DNA מונח ישר וחשוף; בתא הוא מלופף סביב חלבונים, ו־Cas9 צריך להגיע אליו דרכם. Cas9 מצויר כשתי אונות חלקות וה־RNA המנחה שלו כקיפול פשוט, ולא בצורות האמיתיות שלהם. הכלל שקובע אילו אותיות שגויות נסבלות הוא כאן גבול חד, ואילו במציאות הוא הדרגתי ותלוי גם באותיות המעורבות. חיבור הקצוות נותן במציאות תערובת של תוצאות, ולא תמיד אות אחת שנוספה. והסצנה מראה מולקולה אחת שמבצעת עריכה אחת; בפועל עורכים מיליוני תאים בבת אחת, ורק בחלק מהם השינוי נקלט.