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15.12: CRISPR
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CRISPR
 
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15.12: CRISPR

15.12: CRISPR

Genome editing technologies allow scientists to modify an organism’s DNA via the addition, removal, or rearrangement of genetic material at specific genomic locations. These types of techniques could potentially be used to cure genetic disorders such as hemophilia and sickle cell anemia. One popular and widely used DNA-editing research tool that could lead to safe and effective cures for genetic disorders is the CRISPR-Cas9 system. CRISPR-Cas9 stands for Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats and CRISPR-associated protein 9. A basic CRISPR-Cas9 system consists of a Cas9 endonuclease and a small RNA that guides Cas9 to the target DNA.

Origin

CRISPR sequences were first observed in bacteria and later identified in archaea. Researchers discovered that the CRISPR-Cas9 system serves an adaptive immune defense against invading viruses. Many bacteria and most archaea capture short sequences of the viral DNA to create a library of virus DNA segments, or CRISPR arrays. When the prokaryotes are re-exposed to the same virus or class of viruses, CRISPR arrays are used to transcribe small RNA segments that help recognize viral invaders and subsequently destroy viral DNA with Cas9 or a similar endonuclease.

Using CRISPR-Cas9 Technology

CRISPR-Cas9 is commonly used in the laboratory to remove DNA and insert a new DNA sequence in its place. To achieve this, researchers must first create a small fragment of RNA called the guide RNA, with a short sequence called the guide sequence that binds to a specific target sequence on genomic DNA. The guide RNA can also associate with Cas9 (or other endonucleases like Cpf1). The guide RNA and Cas9 protein are administered to a cell of interest where the guide RNA identifies the target DNA sequence and Cas9 cleaves it.

The cell’s machinery then repairs the broken strands by inserting or deleting random nucleotides, rendering the target gene inactive. Alternatively, a customized DNA sequence may be introduced into the cell along with the guide RNA and Cas9, that serves as a template for the repair machinery and replaces the excised sequence. This is a highly effective way for researchers to “knock out” a gene to study its effects or replace a mutated gene with a normal copy in hopes of curing a disease.

Ethical and Feasibility Considerations in Humans

As a result of the significant gene modification capabilities of the CRISPR-Cas9 system, there has been great debate over its use, especially in regards to embryo editing. A Chinese scientist recently claimed to have created genome-edited babies using CRISPR technology to disable a gene involved in HIV infection. This led to a global outcry from scientists concerned about the ethical and safety considerations of the procedure. Many have called the move premature, and others have expressed concerns over off-target genomic effects. While the number of possible biotech applications for the CRISPR-Cas9 system is numerous, it is important to consider future challenges that may arise as a result of its use.

As tecnologias de edição de genomas permitem que os cientistas modifiquem o DNA de um organismo através da adição, remoção ou rearranjo de material genético em locais genômicos específicos. Esses tipos de técnicas poderiam potencialmente ser usadas para curar doenças genéticas como hemofilia e anemia falciforme. Uma ferramenta de pesquisa popular e amplamente utilizada de edição de DNA que poderia levar a curas seguras e eficazes para distúrbios genéticos é o sistema CRISPR-Cas9. CRISPR-Cas9 significa Clustered Regularmente Interspaced Short Palindromic Repeats e crispr-associated protein 9. Um sistema CRISPR-Cas9 básico consiste em uma endonuclease Cas9 e um pequeno RNA que guia Cas9 até o DNA alvo.

Origem

As sequências CRISPR foram observadas pela primeira vez em bactérias e posteriormente identificadas em archaea. Pesquisadores descobriram que o sistema CRISPR-Cas9 serve uma defesa imune adaptativa contra vírus invasores. Muitas bactérias e a maioria das arqueias capturam sequências curtas do DNA viral para criar uma biblioteca de segmentos de DNA de vírus, ou matrizes CRISPR. Quando os procariotes são reass exposidos ao mesmo vírus ou classe de vírus, as matrizes CRISPR são usadas para transcrever pequenos segmentos de RNA que ajudam a reconhecer invasores virais e, posteriormente, destruir DNA viral com Cas9 ou uma endonuclease semelhante.

Usando a tecnologia CRISPR-Cas9

Crispr-Cas9 é comumente usado em laboratório para remover DNA e inserir uma nova sequência de DNA em seu lugar. Para isso, os pesquisadores devem primeiro criar um pequeno fragmento de RNA chamado RNA guia, com uma pequena sequência chamada sequência guia que se liga a uma sequência específica de alvo no DNA genômico. O RNA guia também pode se associar ao Cas9 (ou a outros endonucleases como o Cpf1). O guia RNA e a proteína Cas9 são administrados a uma célula de interesse onde o RNA guia identifica a sequência de DNA alvo e Cas9 a corta.

O maquinário da célula então repara os fios quebrados inserindo ou excluindo nucleotídeos aleatórios, tornando o gene alvo inativo. Alternativamente, uma sequência de DNA personalizada pode ser introduzida na célula juntamente com o guia RNA e Cas9, que serve como modelo para o maquinário de reparo e substitui a sequência excisada. Esta é uma maneira altamente eficaz para os pesquisadores "nocautearem" um gene para estudar seus efeitos ou substituir um gene mutante por uma cópia normal na esperança de curar uma doença.

Considerações éticas e de viabilidade em humanos

Como resultado das significativas capacidades de modificação genética do sistema CRISPR-Cas9, tem havido um grande debate sobre seu uso, especialmente no que diz respeito à edição de embriões. Um cientista chinês recentemente afirmou ter criado bebês editados com genoma usando a tecnologia CRISPR para desativar um gene envolvido na infecção pelo HIV. Isso levou a um clamor global de cientistas preocupados com as considerações éticas e de segurança do procedimento. Muitos chamaram a medida de prematura, e outros expressaram preocupações sobre efeitos genômicos fora do alvo. Embora o número de possíveis aplicações biotecnológicas para o sistema CRISPR-Cas9 seja numeroso, é importante considerar desafios futuros que possam surgir como resultado de seu uso.


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