קריספר

עריכה גנומית באמצעות קריספר: האפשרויות לריפוי מתגלות

מחלות גנטיות מונוגניות הן מחלות הנגרמות כתוצאה מפגם בגן בודד. מחלות אלה יכולות לעבור מההורים לצאצאים בכמה מנגנוני תורשה. יותר מ-7,000 מחלות גנטיות ידועות למדע, ואף כי הן נחשבות "נדירות" עקב שכיחותן הנמוכה יחסית באוכלוסייה, יותר מ-150 מיליון איש ברחבי העולם סובלים מהן. לרוב מובילות מחלות אלה למחלות קשות וחשוכות מרפא, אך מהצד השני – היות שהן מתאפיינות בפגם בגן אחד בלבד – הרי שתיקון של אותו גן באמצעי הנדסה גנטית יוכל להציע אפשרות של ריפוי.

עריכה גנומית: העתק והדבק

טכנולוגיה של עריכה גנומית מאפשרת למדענים לאתר גן המסוים שברצונם לתקן, לקטוע את סליל ה-DNA בנקודה הנדרשת, להכניס רצף תקין של אותו גן שיחליף את הגן הפגום, ולאפשר לתהליכי תיקון DNA להיכנס לפעולה, כדי לאחות את סליל ה-DNA הקטוע כשהגן המתוקן בתוכו.

האתגר הגדול העומד בפני החוקרים הוא כיצד לאתר באופן מדויק ויעיל את המיקום שבו יש לקטוע את סליל ה-DNA. מלאכה זו כלל אינה פשוטה: אם נדמה את מולקולת ה-DNA שלנו לקובץ טקסט, היינו מוצאים בו יותר מ-20,000 מילים (או גנים). הגן הפגום הגורם למחלה הגנטית משול למילה אחת שהשתבשה בהעתקת קובץ זה, ועל כן קשה לאיתור.

במילים אחרות, הכלי שנדרש למדענים כדי לבצע את העריכה הגנומית הוא כזה שיאפשר איתור גן בודד במדויק, וחיתוך שלו בנקודה הנכונה. כלי כזה אכן נמצא כיום בידי המדענים וקוראים לו "קריספר".

קריספר: כמו עורך טקסט – רק לגנים במקום למילים

הטכנולוגיה שמאפשרת לחוקרים לא רק לערוך ולכתוב מחדש גנים, אלא גם להתמקד בגן ספציפי ולתקן אותו, נקראת "קריספר" – ראשי תיבות של Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats.

קריספר מבוסס על מערכת טבעית קדומה מאוד, המשמשת בטבע כמנגנון ההגנה של חיידקים מפני וירוסים פולשים. בעזרת הקריספר מסוגלים חיידקים לאתר ולהשמיד DNA זר או RNA זר שפולש אליהם, על ידי חיתוך ה-DNA של הפולש במקום המתאים. באמצעות מערכת זאת, מסוגלים החיידקים לשמור "זיכרון" של רצף זר, ולהגיב אליו במהירות במידה שייתקלו בו בעתיד. משום כך נחשבת מערכת זאת ל"מערכת החיסון" של החיידקים.

כיצד פועל הקריספר? הוא מורכב משני חלקים – רכיב אחד הוא ה-RNA, רצף של חומצות גרעין, והרכיב השני הוא חלבון הנקרא קאס 9 (Cas9) – חלבון קשור-קריספר (CRISPR Associated) – שיודע לחתוך את גדיל ה-DNA וכך לחסל את האיום הוויראלי. כשהקריספר מזהה בתא גדיל DNA ובו רצף חומצות גרעין הזהה לרצף ה-RNA המקודד בו, הוא נצמד אליו בדיוק בנקודה זאת, בדומה להצבת הסמן על תו ספציפי בתוכנת עיבוד תמלילים. או אז נכנס חלבון הקאס 9 לפעולה וחותך את גדיל ה-DNA בדיוק במקום זה.

על מנת לתקן גנים פגומים, יכולים המדענים לתכנן רצף "נכון" של DNA שיחליף את הרצף הפגום. מנגנוני התיקון של התא פועלים לאיחוי ה-DNA במיקום שנקטע יחד עם הרצף שהוצג מבחוץ.

פריצת דרך עולמית

עד לפני עשור, על אף ההתקדמות האדירה בחקר הגנטיקה, בריצוף הגנום האנושי ובמיפוי הגנים המשובשים האחראיים למחלות גנטיות רבות, טכנולוגיות העריכה הגנטית היו מסורבלות, יקרות ואף בלתי יעילות. במילים אחרות, לחוקרים לא היו כלים טכנולוגיים יעילים לביצוע זיהוי וחיתוך של מקטעי DNA – עד שהגיעו המדעניות עמנואל שרפנטייה וג'ניפר דאודנה. פריצת הדרך שלהן בתחום, שבזכותה הוענק להן פרס נובל בכימיה ב-2020, התרחשה ב-2012, כשהראו במחקר שהפך כמעט מיידית לאבן יסוד במדעי הגנטיקה כיצד אפשר להשתמש במערכת הקריספר החיידקית לחיתוך DNA גם מחוץ לחיידק. הטכנולוגיה שהציגו השתיים הייתה הכלי שלו חיכו המדענים: טכנולוגיה לעריכה גנומית, זולה יחסית, פשוטה ובעיקר יעילה, המסוגלת לבצע שינויים בתא ברמת דיוק של גן בודד.  

כיום, בעקבות פריצת הדרך, מתבצעים מאות ניסויים קליניים ברחבי העולם במטרה לבחון את היישומים התרפויטיים של הטכנולוגיות לעריכה גנטית בעיקר במחלות גנטיות, אך גם בסרטן ובמחלות אחרות.

על מה אנחנו עובדים במעבדה שלנו?

במעבדה לעריכה גנטית ולתרפיה גנטית בראשות ד"ר איל הנדל, חלוץ התחום המדעי הזה בישראל, אנו מתמקדים בפיתוח כלים לעריכה גנטית לריפוי מחלות גנטיות שונות.

מעבדתנו עובדת בשיתוף פעולה עם חוקרים אחרים באוניברסיטת בר-אילן, עם מוסדות רפואיים ועם גורמים בתעשיית הביוטכנולוגיה בארץ ובעולם. בין היתר, פועלת המעבדה בשיתוף פעולה עם בית החולים שיבא, אוניברסיטת רייכמן ועם חברת גמידה סל (Gamida Cell), העוסקת, בין השאר, בהנדסה גנטית של תאי דם לבנים.

בין הכלים שפיתחה מעבדתנו נמצא ה"קריספקטור" (CRISPECTOR) – כלי חישובי לניתוח תוצאות הניסויים וללמידה על הביצועים של טכנולוגיית הקריספר, המסייע במזעור טעויות בתהליכי עריכה גנטית. המצאה זאת, שפותחה בשיתוף פעולה עם פרופ' זוהר יכיני מאוניברסיטת רייכמן, זכתה להגנת פטנט וצפויה לקחת חלק בלתי נפרד בתהליכי פיתוח טכנולוגיות הקריספר.

תחומי המחקר במעבדה שלנו הם נרחבים, ומתמקדים בשלושה סוגי מחלות:

• מחלות ילדי הבועה

מחלות "ילדי הבועה" או סקיד (SCID) – ראשי התיבות של "כשל חיסוני משולב חמור", קבוצה של מחלות גנטיות נדירות שגורמות להפרעה בהתפתחות תאי הדם הלבנים – וכתוצאה מכך לפגיעה חמורה ביכולת הגוף להתמודד עם זיהומים כחיידקים, פטריות או וירוסים. חלק מהילדים הסובלים ממחלה זאת נאלצים לחיות בסביבה סטרילית, שמגינה עליהם מפני הזיהומים הנישאים באוויר עד אשר הם עוברים השתלת מח עצם מתורם מתאים. מאחר שלא תמיד אפשר למצוא תורם מתאים, טכנולוגיית העריכה הגנטית יכולה להוות תחליף למצבים אלו כיוון שהיא מאפשרת לתקן את המוטציה בתאי החולה.

• אנמיה חרמשית

מחלת דם תורשתית שגורמת לכשל ביכולתם של תאי הדם האדומים של החולים בה לשאת חמצן לאיברי הגוף. המחלה גורמת לתופעות פיזיולוגיות קשות, ומגבילה במידה ניכרת את איכות החיים של הסובלים ממנה. בישראל מופיעה המחלה בשכיחות גבוהה יחסית לשאר העולם, והיא נצפית בעיקר באוכלוסייה הערבית.

• טיפולים בסרטן

היבט נוסף של עבודתנו, בתחום הטיפולים בסרטן, הוא להשתמש בטכנולוגיות הקריספר לשיפור התגובה החיסונית של הגוף, על ידי ביצוע שינויים בקולטנים של תאי הדם הלבנים מסוג T.

מחקרי המעבדה ממשיכים לחשוף את האפשרויות הגלומות לריפוי מחלות בעריכה גנומית באמצעות קריספר.