Alat Penyuntingan Gen Sangat Presisi Ubah Penanganan Penyakit Genetik

SEBUAH pendekatan penyuntingan gen yang disebut penyuntingan prima suatu hari nanti dapat membantu mengobati banyak penyakit dengan mengubah gen yang rusak menjadi gen yang sehat. Namun, teknik ini terkadang menimbulkan kesalahan kecil pada DNA, yang terkadang dapat berbahaya.

Para peneliti di Massachusetts Institute of Technology (MIT) telah menemukan cara untuk mengurangi kesalahan ini secara signifikan dengan mengubah protein kunci yang mendorong proses penyuntingan. Mereka yakin peningkatan ini dapat membuat terapi gen lebih aman dan lebih praktis untuk mengobati berbagai macam penyakit.

“Makalah ini menguraikan pendekatan baru dalam penyuntingan gen yang tidak mempersulit sistem pengiriman dan tidak menambahkan langkah-langkah tambahan, tetapi menghasilkan penyuntingan yang jauh lebih presisi dengan lebih sedikit mutasi yang tidak diinginkan,” kata Phillip Sharp, Profesor Emeritus di MIT Institute, anggota Koch Institute for Integrative Cancer Research di MIT, dan salah satu penulis senior studi baru ini.

Dengan menggunakan metode yang telah disempurnakan, tim MIT menurunkan tingkat kesalahan dalam penyuntingan utama dari sekitar satu dari tujuh penyuntingan menjadi sekitar satu dari 101 untuk jenis penyuntingan yang paling umum. Dalam mode penyuntingan yang lebih presisi, peningkatannya meningkat dari satu dari 122 menjadi satu dari 543.

“Untuk obat apa pun, yang Anda inginkan adalah sesuatu yang efektif, tetapi dengan efek samping seminimal mungkin,” kata Robert Langer, Profesor David H. Koch Institute di MIT, anggota Koch Institute, dan salah satu penulis senior studi baru ini.

“Untuk penyakit apa pun yang mungkin memerlukan penyuntingan genom, saya pikir ini pada akhirnya akan menjadi cara yang lebih aman dan lebih baik,” ujar Ilmuwan peneliti di Koch Institute, Vikash Chauhan, memimpin penelitian yang baru-baru ini dipublikasikan di Nature.

Potensi Kesalahan

Pada tahun 1990-an, upaya terapi gen awal mengandalkan penyisipan gen baru ke dalam sel menggunakan virus yang dimodifikasi. Kemudian, para ilmuwan mengembangkan teknik yang menggunakan enzim seperti nuklease jari seng untuk memperbaiki gen secara langsung. Enzim-enzim ini berfungsi tetapi sulit direkayasa ulang untuk target DNA baru, sehingga lambat dan rumit untuk digunakan.

Penemuan sistem CRISPR pada bakteri mengubah segalanya. CRISPR menggunakan enzim yang disebut Cas9, yang dipandu oleh sepotong RNA, untuk memotong DNA di lokasi tertentu. Para peneliti mengadaptasinya untuk menghilangkan urutan DNA yang salah atau menyisipkan urutan DNA yang telah diperbaiki menggunakan templat berbasis RNA, sehingga penyuntingan gen menjadi lebih cepat dan fleksibel.

Pada tahun 2019, para ilmuwan di Broad Institute di MIT dan Harvard memperkenalkan penyuntingan prima, versi baru CRISPR yang bahkan lebih presisi dan lebih kecil kemungkinannya untuk memengaruhi area genom yang tidak diinginkan. Baru-baru ini, penyuntingan prima berhasil digunakan untuk mengobati pasien dengan penyakit granulomatosa kronis (chronic granulomatous disease/CGD), kelainan langka yang melemahkan sel darah putih.

“Pada prinsipnya, teknologi ini pada akhirnya dapat digunakan untuk mengatasi ratusan penyakit genetik dengan mengoreksi mutasi kecil secara langsung pada sel dan jaringan,” kata Chauhan, dikutip oleh Science Daily dari Nature.

Salah satu keuntungan penyuntingan prima adalah tidak memerlukan pemotongan untai ganda pada DNA target. Sebaliknya, penyuntingan prima menggunakan versi modifikasi Cas9 yang hanya memotong salah satu untai komplementer, membuka flap tempat urutan baru dapat disisipkan. RNA pemandu yang disertakan dengan penyunting prima berfungsi sebagai cetakan untuk urutan baru tersebut.

Salah satu alasan penyuntingan prima dianggap lebih aman adalah karena tidak memotong kedua untai DNA. Sebaliknya, penyuntingan prima membuat pemotongan untai tunggal yang lebih halus menggunakan enzim Cas9 yang dimodifikasi. Hal ini membuka flap kecil pada DNA tempat urutan baru yang telah dikoreksi dapat disisipkan, dipandu oleh cetakan RNA.

Setelah urutan yang telah dikoreksi ditambahkan, urutan tersebut harus menggantikan untai DNA asli. Jika untai lama menempel kembali, fragmen baru terkadang dapat berakhir di tempat yang salah, yang menyebabkan kesalahan yang tidak diinginkan.

Sebagian besar kesalahan ini tidak berbahaya, tetapi dalam kasus yang jarang terjadi, kesalahan ini dapat berkontribusi pada pertumbuhan tumor atau masalah kesehatan lainnya. Dalam sistem penyuntingan prima saat ini, tingkat kesalahan dapat bervariasi dari sekitar satu dari tujuh penyuntingan hingga satu dari 121, tergantung pada mode penyuntingan.

“Teknologi yang kita miliki sekarang memang jauh lebih baik daripada alat terapi gen sebelumnya, tetapi selalu ada kemungkinan konsekuensi yang tidak diinginkan ini,” kata Chauhan.

Pengeditan Presisi

Untuk mengurangi tingkat kesalahan tersebut, tim MIT memutuskan untuk memanfaatkan fenomena yang mereka amati dalam studi tahun 2023. Dalam makalah tersebut, mereka menemukan bahwa meskipun Cas9 biasanya memotong di lokasi DNA yang sama setiap saat, beberapa versi protein yang bermutasi menunjukkan pelonggaran batasan tersebut.

Alih-alih selalu memotong lokasi yang sama, protein Cas9 terkadang memotong satu atau dua basa lebih jauh di sepanjang urutan DNA.Pelonggaran ini, menurut temuan para peneliti, membuat untai DNA lama kurang stabil, sehingga terdegradasi, sehingga memudahkan untai baru untuk digabungkan tanpa menimbulkan kesalahan.

Dalam studi baru ini, para peneliti berhasil mengidentifikasi mutasi Cas9 yang menurunkan tingkat kesalahan hingga 1/20 dari nilai aslinya. Kemudian, dengan menggabungkan pasangan mutasi tersebut, mereka menciptakan penyunting Cas9 yang menurunkan tingkat kesalahan lebih jauh lagi, hingga 1/36 dari nilai aslinya.

Agar penyunting lebih akurat, para peneliti menggabungkan protein Cas9 baru mereka ke dalam sistem penyuntingan prima yang memiliki protein pengikat RNA yang menstabilkan ujung-ujung cetakan RNA secara lebih efisien.

Penyunting akhir yang disebut vPE oleh para peneliti, memiliki tingkat kesalahan hanya 1/60 dari aslinya, berkisar dari satu dalam 101 penyuntingan hingga satu dalam 543 penyuntingan untuk berbagai mode penyuntingan. Uji coba ini dilakukan pada sel tikus dan manusia.

Tim MIT kini sedang berupaya meningkatkan efisiensi penyunting prima lebih lanjut, melalui modifikasi pada Cas9 dan cetakan RNA. Mereka juga sedang mengembangkan cara untuk mengirimkan penyunting ke jaringan tubuh tertentu, yang merupakan tantangan jangka panjang terapi gen.

Mereka juga berharap laboratorium lain akan mulai menggunakan pendekatan penyuntingan prima yang baru ini dalam studi penelitian mereka. Penyunting prima umumnya digunakan untuk mengeksplorasi berbagai pertanyaan, termasuk bagaimana jaringan berkembang, bagaimana populasi sel kanker berevolusi, dan bagaimana sel merespons pengobatan.

“Penyunting genom digunakan secara luas di laboratorium penelitian,” kata Chauhan. “Jadi, aspek terapeutiknya menarik, tetapi kami sangat antusias melihat bagaimana orang-orang mulai mengintegrasikan editor kami ke dalam alur kerja penelitian mereka,” tambahnya. hay