คริสเปอร์

คริสเปอร์/แคสไนน์ (CRISPR/Cas9)
แผนภาพกลไกของคริสเปอร์เป็นการป้องกันตัวจากไวรัสในโพรแคริโอต
คริสเปอร์ (CRISPR) เป็นวงศ์ของลำดับดีเอ็นเอในแบคทีเรีย ซึ่งในลำดับมีส่วนของดีเอ็นเอ (DNA snippets) จากไวรัสที่เคยโจมตีแบคทีเรียนั้น แบคทีเรียใช้ส่วนเหล่านี้ในการตรวจหาและทำลายดีเอ็นเอจากไวรัสที่คล้ายกันในการโจมตีครั้งถัดไป ลำดับเหล่านี้ทำหน้าที่สำคัญในระบบภูมิคุ้มกันของแบคทีเรีย และเป็นพื้นฐานของเทคโนโลยีที่เรียกว่า คริสเปอร์/แคสไนน์ (CRISPR/Cas9) ที่สามารถใช้เปลี่ยนยีนภายในสิ่งมีชีวิต
ระบบคริสเปอร์/แคสเป็นระบบภูมิคุ้มกันโพรแคริโอตที่ช่วยในการต่อต้านส่วนประกอบทางพันธุกรรมแปลกปลอม เช่นเดียวกับที่อยู่ในพลาสมิด (plasmid) และ เฟจ (phages) ซึ่งเป็นภูมิคุ้มกันที่เกิดขึ้นภายหลัง (acquired immunity) อาร์เอ็นที่มีลำดับสเปสเซอร์ (spacer sequence) ช่วยโปรตีนแคส (CRISPR-associated, Cas) ในการจำแนกและตัดดีเอ็นเอจากภายนอก ขณะที่โปรตีนแคสอื่นที่นำโดยอาร์เอ็นเอตัดอาร์เอ็นเอจากภายนอก คริสเปอร์ถูกพบในประมาณ 40% ของจีโนมแบคทีเรียและใน 90% ของอาร์เคียที่ถูกหาลำดับดีเอ็นเอแล้ว
CRISPR ย่อมาจาก Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats ชื่อถูกตั้งก่อนจะรู้ที่มาและหน้าที่ของลำดับย่อยอินเตอร์สเปส (interspacing subsequence) ณ ตอนนั้น คริสเปอร์ถูกมองว่าเป็นส่วนหนึ่งของดีเอ็นเอโพรแคริโอตที่มีลำดับเบสสั้น ๆ ที่เรียงตัวซ้ำ ๆ ลำดับซ้ำพาลินโดรม (palindromic repeat) เป็นลำดับนิวคลีโอไทด์ที่เหมือนกันเมื่ออ่านจากทั้งสองด้าน การซ้ำแต่ละครั้งตามด้วยดีเอ็นเอสเปสเซอร์จากการพบกับดีเอ็นเอภายนอกครั้งก่อน (เช่น ไวรัส หรือ พลาสมิด) ต่อจากลำดับคริสเปอร์ก็มีกลุ่มเล็ก ๆ ของยีนแคส (CRISPR-associated system, cas)
ระบบคริสเปอร์/แคสแบบง่ายที่เรียกว่าคริสเปอร์/แคสไนน์ถูกปรับแต่งเพื่อแก้ไขจีโนม จีโนมสามารถถูกตัดในตำแหน่งที่ต้องการ โดยการส่งแคสไนน์นิวคลีเอส (Cas9 nuclease) ประกอบกับไกด์อาร์เอ็นเอ (guide RNA, gRNA) เข้าไปในเซลล์ ทำให้สามารถกำจัดยีนที่มีอยู่หรือเพิ่มยีนใหม่เข้าไปได้ กลุ่มรวม Cas9-gRNA ทำหน้าที่เหมือน กลุ่มรวม CAS III crRNA บนแผนภาพด้านข้าง
เทคนิคการแก้ไขจีโนมคริสเปอร์/แคสมีศักยภาพในการนำไปประยุกต์ใช้ในหลายด้าน  รวมถึงทางการแพทย์ และทางการปรุงแต่งเมล็ดพืชทางเกษตร การใช้กลุ่มรวม CRISPR/Cas9-gRNA เพื่อแก้ไขจีโจม ถูกเลือกโดยสมาคมเพื่อความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์อเมริกัน (AAA) ให้เป็นการค้นพบครั้งใหญ่ใน พ.ศ. 2558 ข้อกังวลด้านชีวจริยธรรมถูกกล่าวถึงเกี่ยวกับความเป็นไปได้ในการใช้เทคนิคนี้เพื่อแก้ไขเซลล์สืบพันธุ์

**ประวัติ**
การค้นพบของกลุ่มดีเอ็นเอลำดับซ้ำเกิดขึ้นโดยอิสระในสามส่วนของโลก หนึ่งในการค้นพบครั้งแรกเกิดขึ้นเมื่อ พ.ศ.​ 2530 ณ มหาวิทยาลัยโอซะกะในประเทศญี่ปุ่น นักวิจัย โยชิซุมิ อิชิโนะ (Yoshizumi Ishino) และคณะเผยแพร่ผลการทดลองเกี่ยวกับลำดับของยีนชื่อว่า "iap" และความเกี่ยวข้องกับ E. coli ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในช่วงคริสต์ทศวรรษ 1990 ทำให้พวกเขาสามารถดำเนินงานวิจัยต่อและเพิ่มความเร็วของการหาลำดับด้วยเทคนิคที่เรียกว่าเมตาจีโนมิกส์ (metagenomics) พวกเขาสามารถเก็บตัวอย่างน้ำทะเลหรือดินและหาลำดับดีเอ็นเอในตัวอย่างนั้น

**กลไก**
โลคัสพันธุกรรมคริสเปอร์ทำให้แบคทีเรียมีกลไกลการป้องกันตัวจากการติดเชื้อเฟจซ้ำ
อาร์เอ็นเอจากดีเอ็นเอของโลคัสพันธุกรรมคริสเปอร์และการเติบโตของ pre-crRNA
รูปร่างสามมิติของ CRISPR-Cas9 Interference Complex
ไฟล์:The_Stages_of_CRISPR_immunity.svg|frame|ขั้นตอนของภูมิคุ้มกันคริสเปอร์สำหรับสามรูปแบบหลักของภูมิคุ้มกันแบบจำเพาะ หรือ adaptive immunity (1) การได้มาเริ่มจากการรู้จำของดีเอ็นเอบุกรุกโดย Cas1 และ Cas2 และการตัดของโปรโตสเปสเซอร์ (2) โปรโตสเปสเซอร์ถูกเชื่อมกับลำดับซ้ำโดยตรงติดกับลำดับนำ และ (3) การซ่อมแซมเพิ่มความยาวสายเดี่ยว (single strand extension repair) และการทำสำเนาลำดับซ้ำโดยตรง การแปรรูป crRNA และขั้นตอนการเข้าแทรกแซงเกิดขึ้นต่างกันในทั้งสามระบบหลักของคริสเปอร์ (4) สายอาร์เอ็นเอหลักถูกตัดโดยยีนแคสเพื่อสร้าง crRNA (5) ในระบบแบบที่ 1 Cas6e/Cas6f ตัดในจุดต่อของอาร์เอ็นเอสายเดี่ยวและสายคู่ สร้างเป็นห่วงในลำดับซ้ำโดยตรง ระบบแบบที่ 2 ใช้ trans-activating (tracr) อาร์เอ็นเอเพื่อสร้างอาร์เอ็นเอสายคู่ ซึ่งถูกตัดโดย Cas9 และ RNaseIII ระบบแบบที่ 3 ใช้คู่เหมือน Cas6 ที่ไม่ต้องการห่วงในลำดับซ้ำโดยตรงเพื่อตัด (6) ในระบบแบบที่ 2 และ 3 เกิดการตัดทุติยภูมิขึ้นที่ด้านท้าย 5’ หรือ 3’ เพื่อสร้าง crRNAs ที่สมบูรณ์ (7) crRNAs สมบูรณ์จับกับโปรตีนแคสเพื่อสร้างเป็นกลุ่มรวมเพื่อแทรกแซง (8) ในระบบแบบที่ 1 และ 2 จำเป็นต้องมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตีนและลำดับแพมเพื่อที่จะทำให้เกิดการทำลายดีเอ็นเอที่บุกรุกอย่างเป็นผลสำเร็จ ระบบแบบที่ 3 ไม่ต้องการลำดับแพมเพื่อทำลาย และในระบบเอของแบบที่ 3 มีการจับคู่กันระหว่าง crRNA และ mRNA แทนที่จะเป็นดีเอ็นเอที่เป็นเป้าของระบบ B ของแบบที่ 3
ภูมิคุ้มกันคริสเปอร์-แคสเป็นกระบวนการทางธรรมชาติของแบคทีเรียและอาร์เคีย คริสเปอร์-แคสป้องกันการติดเชื้อเฟจ, คอนจูเกชัน (conjugation) และการแปลงพันธุ์ทางธรรมชาติ โดยการทำลายกรดนิวคลีอิกจากภายนอกที่เข้ามาในเซลล์

**การได้มาซึ่งสเปสเซอร์**
เมื่อจุลินทรีย์ถูกบุกรุกโดยไวรัส ขั้นแรกของการตอบสนองของภูมิคุ้มกันคือการจับดีเอ็นเอของไวรัสและใส่เข้าไปในโลคัสคริสเปอร์ในรูปแบบของสเปสเซอร์ การที่ Cas1 และ Cas2 อยู่ในระบบภูมิคุ้มกันคริสเปอร์-แคสทั้งสองแบบ ชี้ว่าพวกมันมีส่วนในการได้มาซึ่งสเปสเซอร์ งานวิจัยการกลายพันธุ์ยืนยันสมมติฐานนี้ และแสดงว่าการนำยีน cas1 หรือ cas2 ออกทำให้ไม่สามารถจัดหาสเปสเซอร์ได้ ในขณะที่ไม่ส่งผลกระทบต่อการตอบสนองของภูมิคุ้มกันคริสเปอร์
โปรตีน Cas1 หลายโปรตีนถูกศึกษาลักษณะเฉพาะและหาโครงสร้าง โปรตีน Cas1 มีลำดับกรดอะมิโนหลากหลาย อย่างไรก็ตาม โครงสร้างผลึกมีลักษณะคล้ายกัน และโปรตีน Cas1 ที่ถูกทำให้บริสุทธิ์ทั้งหมดเป็นนิวคลีเอส/อินทีเกรสที่ต้องพึ่งธาตุโลหะ และจับกับดีเอ็นเอโดยไม่พึ่งกับลำดับ โปรตีน Cas2 ที่ถูกเลือกได้รับการศึกษาลักษณะเฉพาะ และพบว่าพวกมันแสดงกิจกรรมเอนโดริโบนิวคลีเอสเฉพาะต่อ ssRNA (สายเดี่ยว) หรือ dsDNA (สายคู่)
ในระบบไอ-อี ของ E. coli Cas1 และ Cas 2 จับกันเป็นกลุ่มรวมโดยสองส่วน (dimer) ของ Cas2 จับเข้ากับสองส่วนของ Cas1 ในกลุ่มรวมนี้ Cas2 มีหน้าที่เป็นโครงสร้างแบบไม่ใช้เอนไซม์ และจับกับชิ้นสายคู่ของดีเอ็นเอจากภายนอก ขณะที่ Cas1 จับกับด้านข้างของดีเอ็เอส่วนสายเดี่ยวและช่วยเร่งในการรวมเข้ากับแถวลำดับคริสเปอร์ สเปสเซอร์ใหม่ถูกเพิ่มในส่วนเริ่มของคริสเปอร์ต่อจากลำดับนำ (leader sequence) ทำให้เป็นการบันทึกการติดเชื้อไวรัสตามลำดับเวลา

**โมทีฟติดกับโปรโตสเปสเซอร์**
การวิเคราะห์ทางชีวสารสนเทศศาสตร์บริเวณจีโนมเฟจที่ถูกตัดเป็นสเปสเซอร์ (เรียกว่าโปรโตสเปสเซอร์, protospacer) ชี้ว่าไม่ได้เป็นการเลือกอย่างสุ่ม ทว่าถูกพบติดกับลำดับดีเอ็นเอสั้น ๆ (3 – 5 คู่เบส) ที่เรียกว่า protospacer adjacent motifs หรือ แพม (PAM) การวิเคราะห์ของระบบคริสเปอร์-แคสแสดงว่าลำดับแพมมีความสำคัญสำหรับระบบแบบที่ 1 (type I) และแบบที่ 2 (type II) ทว่าไม่สำคัญในแบบที่ 3 (type III) ระหว่างการได้มาซึ่งสเปสเซอร์ ในระบบแบบที่ 1 และ 2 โปรโตสเปสเซอร์ถูกตัดบนตำแหน่งติดกับลำดับแพม โดยอีกด้านหนึ่งของสเปสเซอร์ถูกตัดโดย ruler mechanism ทำให้ขนาดของสเปสเซอร์ใกล้เคียงกันในแถวลำดับคริสเปอร์ การอนุรักษ์ลำดับแพมแตกต่างกันไปในคริสเปอร์-แคสแต่ละระบบและอาจเชื่อมโยงกับ Cas1 และลำดับนำ (leader sequence)
สเปสเซอร์ใหม่ถูกเพิ่มเข้าไปในแถวลำดับคริสเปอร์โดยมีทิศทางที่แน่นอน มักเลือกที่จะ แต่ไม่เพียงแต่ ติดกับลำดับนำ การวิเคราห์ของระบบไอ-อีจาก E. coli แสดงว่าลำดับซ้ำแรกติดกับลำดับนำถูกคัดลอก โดยมี สเปสเซอร์ใหม่ที่พึ่งได้มาแทรกระหว่างลำดับซ้ำแรกและสอง
ลำดับแพมน่าจะมีความสำคัญระหว่างการแทรกสเปสเซอร์ในระบบไอ-อี ลำดับนั้นมีส่วนประกอบของนิวคลีโอไทด์ท้ายที่ถูกคงไว้ติดกับนิวคลีโอไทด์แรกของโปรโตสเปสเซอร์ นิวครีโอไทด์นี้กลายเป็นเบสสุดท้ายของลำดับซ้ำโดยตรง (direct repeat) ชิ้นแรก สิ่งนี้ชี้ว่ากลไกการได้มาซึ่งสเปสเซอร์ทำให้เกิดส่วนยื่นสายเดี่ยวในตำแหน่งรองท้ายของลำดับซ้ำโดยตรงและลำดับแพมระหว่างการแทรกสเปสเซอร์ อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ทุกแบบของคริสเปอร์-แคสจะใช้กลไกนี้ ด้วยความที่แพมในสิ่งมีชีวิตอื่นไม่แสดงการคงไว้ของตำแหน่งสุดท้ายในระดับเท่ากัน เป็นไปได้ว่าระบบเหล่านี้ทำให้เกิดปลายทู่ที่ไม่มีส่วนยื่นออกมาตรงส่วนท้ายของลำดับซ้ำโดยตรงและโปรโตสเปสเซอร์ระหว่างการได้มาซี่งสเปสเซอร์

**การประยุกต์**
ภายใน พ.ศ. 2557 มีงานวิจัยกว่า 1,000 งานที่กล่าวถึงคริสเปอร์ถูกตีพิมพ์ เทคโนโลยีถูกใช้เพื่อหยุดยั้งการปฏิบัติงานของยีนในเซลล์ไลน์มนุษย์และในเซลล์, เพื่อศึกษา Candida albicans, เพื่อปรับแต่งยีสต์เพื่อผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ และเพื่อปรับแต่งพันธุกรรมของสายพันธุ์พืช คริสเปอร์ยังสามารถถูกใช้เพื่อเปลี่ยนยุงให้ไม่สามารถถ่ายทอดโรค เช่น มาลาเรีย
การประเมินคำอ้างใหม่สำหรับความสัมพันธ์ระหว่างยีนกับโรคบนฐานของคริสเปอร์นำไปสู้การค้นพบความผิดปกติที่อาจมีความสำคัญ
การซ่อมแซมดีเอ็นเอหลังสายทั้งสองของดีเอ็นเอขาด (double-strand break, DSB)

**พันธุวิศวกรรม**
การแก้ไขจีโนมโดยคริสเปอร์/แคสไนน์ใช้ระบบคริสเปอร์แบบที่ 2 โดยใช้ Cas9, crRNA, tracrRNA และอาจใช้ร่วมกับส่วนของต้นแบบการซ่อมแซมดีเอ็นเอเพื่อช่วยในการเชื่อมต่อชิ้นส่วนโครโมโซมที่ไม่ใช่คู่ของมันเอง (non-homologous end joining, NHEJ) หรือ homology directed repair (HDR) ในการแก้ไขจีโนม
ภาพรวมของการสร้างพลาสมิดคริสเปอร์ แคสไนน์

**ส่วนประกอบหลัก**
คริสเปอร์/แคสไนน์มักใช้พลาสมิดเพื่อบุกรุก (transfect) เซลล์เป้าหมาย ส่วนประกอบหลักของพลาสมิดแสดงอยู่ในรูปทางขวา เริ่มจากการออกแบบ crRNA สำหรับการประยุกต์ใช้แต่ละครั้งด้วยความที่สิ่งนี้เป็นลำดับที่ Cas9 ใช้เพื่อระบุและจับโดยตรงกับดีเอ็นเอของเซลล์ crDNA ต้องจับกับที่ซึ่งต้องการแก้ไขเท่านั้น ต้นแบบการซ่อมแซมถูกออกแบบสำหรับการใช้แต่ละครั้งด้วยความที่ต้องทับซ้อนกับด้านใดด้านหนึ่งที่ถูกตัดและต้องเป็นรหัสสำหรับการแทรกลำดับ
crRNAs และ tracrRNA หลายชิ้นสามารถบรรจุเข้าด้วยกันเพื่อสร้าง single-guide RNA (sgRNA)  โดยสามารถนำ sgRNA นี้ไปต่อกับยีน Cas9 ในพลาสมิดเพื่อบุกรุกเข้าสู่เซลล์
ภาพรวมของการบุกรุกและการตัดดีเอ็นเอโดยคริสเปอร์แคสไนน์ (crRNA และ tracrRNA มักเชื่อมกันเป็นสายอาร์เอ็นเอเดียวขณะออกแบบพลาสมิด)

**อ้างอิง**

**ดูเพิ่ม**
  isbn = 978-1-62182-131-1 -  doi = 10.1126/science.aad5147 -  doi = 10.1038/nbt.2842 -  pmc=4714946-  doi = 10.1016/j.tig.2014.01.003 -  doi = 10.1038/nrmicro3241 -  bibcode = 2008Sci...320.1047A -  doi = 10.1261/rna.1246808 -  doi = 10.1099/mic.0.027508-0 -  doi = 10.1016/j.cell.2009.11.018 -  doi = 10.1016/j.molcel.2009.12.033 -  doi = 10.1111/j.1365-2958.2010.07073.x -  doi = 10.1099/mic.0.036046-0 -  doi = 10.1146/annurev.micro.112408.134123 -  doi = 10.3410/B1-95 - date = August 22, 2015

**แหล่งข้อมูลอื่น**
  Advanced Gene Editing: CRISPR-Cas9 Congressional Research Service-  Jennifer Doudna talk: Genome Engineering with CRISPR-Cas9: Birth of a Breakthrough Technology date=2016-11-25 
หมวดหมู่:เทคโนโลยีชีวภาพ
หมวดหมู่:วิศวกรรมชีวเวช
หมวดหมู่:อณูชีววิทยา
หมวดหมู่:พันธุวิศวกรรม