קריספקטור (CRISPECTOR): כלי חישובי המשנה את כללי המשחק בעריכה גנטית

תחום העריכה הגנטית ביצע קפיצה מטאורית בשנים האחרונות, על רקע התקדמות בטכנולוגיות המעבדה והחישוב. אחת הטכנולוגיות המהפכניות שפותחו היא ה"קריספר" – שיטה המאפשרת לחוקרים לערוך את הקוד הגנטי עצמו, כדי לתקן גנים פגומים שגורמים למחלות קשות. בצד ההזדמנויות הנפתחות עם יישום טכנולוגיית הקריספר, ניצבים גם אתגרים הקשורים ליישומה, ובראשם בקרה על יעילות הטכנולוגיה ועל הבטיחות שלה, בעיקר על מנת לוודא שלא מתרחשת פעילות עריכה גנטית שאינה רצויה, בצד הפעילות הרצויה.

חוקרים מהמעבדה לננו-טכנולוגיה בראשות ד"ר איל הנדל מפקולטה למדעי החיים באוניברסיטת בר-אילן, בשיתוף עם חוקרים מתחום למידת המכונה ומדעי הנתונים בהובלת פרופ' זוהר יכיני מאוניברסיטת רייכמן, פיתחו כלי חישובי חדש לניתוח תוצאות עריכה גנטית באמצעות קריספר. כלי זה, המכונה "קריספקטור" (CRISPECTOR), מאפשר להעריך את היעילות ואת הבטיחות של טיפולים המבוססים על טכנולוגיית קריספר, ובכך הוא נותן מענה לאתגר מרכזי ביישום השיטה, ופותח פתח לפיתוח טיפולי קריספר חדשים שיהיו יעילים יותר ובטוחים יותר.

רקע – עריכה גנטית באמצעות קריספר

טכנולוגיית הקריספר מאפשרת לחוקרים לערוך ולחתוך גנים באמצעות ביצוע שינויים נקודתיים ברצפי ה-DNA, מה שיוצר שינויים בתפקודם של אותם גנים.

מערכת הקריספר מבוססת על מנגנון טבעי שבו משתמשים חיידקים כדי להגן על עצמם מפני וירוסים. מערכת זאת מתבססת על שני חלקים – רכיב אחד הוא קוד RNA, שהוא רצף של חומצות גרעין המיועד להתאים לרצף ספציפי של ה-DNA, ורכיב הנקרא קאס 9 – חלבון היודע לחתוך את גדיל ה-DNA בנקודה ספציפית.

כך, יכולים המדענים לחתוך גן בכל נקודה שירצו, ולתכנן רצף "נכון" של DNA, כאשר מנגנוני התיקון של התא פועלים לאיחוי ה-DNA במיקום שנקטע ונחתך ממנו הרצף הפגום עם הרצף החדש והנכון שהוצג מבחוץ. טכנולוגיית הקריספר נמצאת בשימוש במגוון יישומים בתחום החקלאות ובתעשיית המזון, ובתחום הרפואה בוחנים חוקרים מרחבי העולם טיפולים גנטיים מבוססי טכנולוגיית קריספר לריפוי מחלות גנטיות חשוכות מרפא.

מערכת הקריספר אינה חפה מחסרונות. כך, למשל, כיוון שהמערכת הושאלה מחיידקים ולא בנויה מטבעה לפעול בתוך מערכת התורשה של יונקים או של צמחים, עריכה באמצעות קריספר גורמת לעיתים, מלבד השינוי הרצוי בגן, גם להשלכות בלתי מתוכננות ובלתי רצויות. לדוגמה, חיתוך הסליל הכפול של ה-DNA באזורים אחרים של הגנום.

שינויים אלה מכונים פעילות "שסטתה ממטרתה" (off-target). פעילות שסטתה ממטרתה עלולה להוביל לשבירה בלתי רצויה של סליל ה-DNA, לשינוי מיקום של רצפים (טרנסלוקציות), לסידור יוצא דופן של כרומוזומים או לשינויים גנומיים בלתי-מתוכננים אחרים, שבחלק מהמקרים עלולים להסב נזק.

לכן, מטרת החוקרים היא לנסות ולזהות מראש אם שימוש ספציפי במערכת קריספר יוצר פעילויות הסוטות מהמטרה, ובאם זה המצב – לנסות ולאתר חלופות אחרות. כדי לעשות זאת, משתמשים החוקרים בריצוף DNA מהדור החדש: NGS.

ריצוף DNA מהדור החדש (NGS)

בשנים האחרונות פותחו מספר שיטות לריצוף DNA בתפוקה גבוהה, המאפשרות לזהות ולמפות מיליארדי בסיסים ברצף ה-DNA, מה שיכול לסייע באיתור שינויים לא רצויים ב-DNA. שיטות אלה מפיקות מידע עצום, שכולל בתוכו הן את השינויים ברצף ה-DNA המעידים על עריכה גנטית – אותם מחפשים החוקרים, והן שינויי ריצוף שבטעות נראים כמעידים על עריכה גנטית, המכונים "רעשי רקע". רעשי הרקע בריצוף הגנטי יכולים לנבוע מגורמים שונים בתהליך הריצוף הגנטי במעבדה, החל מהטיפול בדגימות, דרך תהליך הגברת מקטעי ה-DNA (PCR), ועד לטעויות בריצוף עצמו.

הבעיה היא שריצוף גנטי מסוג זה אינו כולל מודלים סטטיסטיים שיאפשרו לחוקרים לבודד את טעויות הריצוף המכונות "רעשי רקע", מהאותות המעידים על עריכה גנטית בפועל.

במחקר זה פיתחו החוקרים מערכת תוכנה שמאפשרת לחוקרים להבדיל בין רעשי רקע לבין עריכות – מתוכננות כמו גם בלתי מתוכננות – שהתרחשו בפועל בניסויי הקריספר – הקריספקטור.

קריספקטור – לראות מבעד לרעשי הרקע

קריספקטור הוא כלי חישובי, תוכנה המסוגלת לזהות בתוך הכמויות העצומות של הריצוף הגנטי אותות אמיתיים המעידים על פעילות שסטתה מהמטרה, ולהבדילם מרעשי רקע. נוסף על כך, הודות לשימוש במידול סטטיסטי ובניתוח נתונים קפדני, הקריספקטור מסוגל גם לזהות קשת רחבה יותר של סטיות גנומיות וכן זיהוי חיתוכי DNA שהתרחשו באזורים בלתי-מתוכננים של הרצף הגנטי.

אלגוריתם הסיווג העיקרי של הקריספקטור לומד את הדפוס הספציפי של "רעשי הרקע" השונים ומסווג את אירועי העריכה לפי הסתברות בייסיאנית, באופן המאפשר בידול בין עריכות של ממש לבין עריכות שהן בעצם רעשי רקע.

במחקר זה, הדגימו החוקרים כי הקריספקטור מצליח למדוד במדויק את הפעילות שסטתה מהמטרה בכל מיקום שנחקר. נוסף על כך מפחית הקריספקטור את שיעור התשובות השליליות השגויות (False Negative) באתרים שבהם הפעילות הסוטה מהמטרה משמעותית אך חלשה – ומשום כך הייתה בלתי ניתנת לאיתור באמצעים קודמים.

הקריספקטור כבר מחולל שינויים במעבדות שונות בעולם, לרבות במעבדה של ד"ר איל הנדל. כך, למשל, לאחרונה, נעשה שימוש בכלי הקריספקטור להערכת היעילות והבטיחות של ניסוי עריכה גנטית של תאי מערכת החיסון של חולים במחלת סקיד – SCID, מחלה גנטית המתבטאת בכשל חיסוני חמור. כמו כן, בשנים הקרובות תיקח מעבדת הנדל חלק בפרויקט גדול של האיחוד האירופי למציאת מזור למחלת האנמיה החרמשית, גם היא מחלת דם תורשתית קשה. במסגרת הפרויקט, תהיה מעבדת הנדל אחראית על מדידת דיוק העריכה בניסויי הקבוצה, במטרה לוודא שפעולת העריכה יעילה ומדויקת ללא פגיעה באזורים לא רצויים בגנום, כל זאת בסיוע הקריספקטור.

השפעתו של פיתוח הקריספקטור על תחום העריכה הגנטית היא עצומה, שכן הכלי זמין לחוקרים ברחבי העולם, ומסייע למדענים לפתח טיפולים מבוססי קריספר במגוון תחומים, שיהיו מדויקים יותר, יעילים יותר ובטוחים יותר.