معرفی تکنیک جدید برش DNA که فراتر از تکنیک کریسپر معمولی است

ابزار کریسپر که از باکتری‌ها قرض گرفته شده است، به‌طور موفقیت‌آمیزی می‌تواند قطعاتی از DNA درون سلول‌های انسانی را پیدا کرده، بریده و تخریب کند؛ تکنیکی که می‌تواند به کمک پژوهش و درمان بیاید.

طی ۶ سال گذشته، ابزاری که CRISPR-Cas9 نامیده می‌شوند، موجب تغییر پژوهش‌های ژنتیکی شده است و به دانشمندان این امکان را داده که رشته‌های DNA را با دقت بالایی برش داده و ویرایش کنند؛ درست مانند یک جفت قیچی کوچک.

اما گاهی اوقات برای انجام این کار به چیزی بیش از یک قیچی نیاز است. به‌تازگی، گروهی از پژوهشگران بین‌المللی از روش کریسپر جدیدی رونمایی کرده‌اند که همچون یک دستگاه برش عمل کرده و می‌تواند قطعات طولانی DNA را در سلول‌های انسانی با هدف‌گیری قابل برنامه‌ریزی از بین ببرد.

پژوهشگران در مقاله‌ی ذکرشده، به تشریح موفقیت خود در توسعه‌ی سیستم جدیدی از CRISPR-Cas پرداخته‌اند. این سیستم که Type I CRISPR-Cas3 نامیده‌ می‌شود، در سلول‌های انسانی همانند یک ابزار ویرایش دوربُرد عمل می‌کند. ابزار حاصل درمقایسه با ابزار Cas9، فراهم‌آورنده‌ی راهی برای هدف‌گیری و حذف قطعات بسیار طولانی‌تر از DNA است. این قدرت می‌تواند در پژوهش‌های ژنتیکی و برای درک اساس بیماری‌ها و احتمالا درمان بیماری‌هایی که با قطعات بلند DNA ارتباط دارند، به کار گرفته شود. یان ژانگ از دانشگاه میشیگان توضیح می‌دهد که ابزار جدید درمقایسه با روش‌های مبتنی بر Cas9، نوع متقاوتی از سیستم کریسپر را مهار کرده و به کار می‌گیرد. هر دوی این روش‌ها مربوط‌به باکتری هستند. درواقع این میکروارگانیسم‌ها برای یافتن و تخریب DNA مهاجم از این روش‌ها استفاده می‌کنند.

نمایشی از نحوه‌ی عمل تکنیک جدید ویرایش ژن که با آغاز از یک نقطه‌ی خاص روی DNAموجب حذف یک قطعه‌ی طولانی از ژنوم می‌شود

نوع متفاوتی از کریسپر

در ابزار جدید از سیستم کریسپر نوع اول (Type I CRISPR) استفاده می‌شود که رواج آن در باکتری‌ها نسبت‌به نوع دوم که Cas9 نیز شامل آن می‌شود، بیشتر است. کریسپر نوع اول تاکنون هیچ‌گاه در سلول‌های یوکاریوتی استفاده نشده بود. در این سیستم از یک کمپلکس ریبوپروتئینی به نام Cascade برای جستجوی هدف و آنزیمی به نام Cas3 برای برش DNA استفاده می‌شود. بخش بهینه‌سازی و خالص‌سازی پروتئین در آزمایش دانشگاه کورنل و با همکاری دکتر ایلونگ کی انجام شد.

این پژوهش حاصل تلاش طولانی‌مدت ژانگ و ایلونگ کی است. ژانگ برای مدت‌ها سیستم CRISPR-Cas9 باکتریایی را مورد مطالعه قرار داده و ابزارهایی را برای ویرایش ماده‌ی ژنتیکی سلول‌های انسانی توسعه داده است. ایلونگ کی نیز تکنیک کریسپر نوع اول را با استفاده از رویکردهای ساختاری و بیوشیمایی مطالعه کرده است. آن‌ها سعی کردند که اجزای کریسپر باکتریایی را به‌عنوان پروتئین به سلول‌های بنیادی جنینی انسان و نوع دیگری از سلول‌ها به نام HAP1 تحویل دهند. این پژوهشگران با استفاده از توالی راهنمای کریسپر توانستند بخش‌های از DNA را حذف کنند. توالی‌های حذف‌شده از چند صد جفت باز تا ۱۰۰ کیلوباز تشکیل شده بودند.

یک دستگاه برش موتوری

ژانگ سیستم Cascade-Cas3 را یک دستگاه موتوری برش DNA می‌نامد زیرا این سیستم می‌تواند در طول ژنوم و تا اندازه‌ی مشخصی حرکت کند و همان‌طور که پیش می‌رود، مواد ژنتیکی را بشکند. ژانگ می‌گوید:

ابزار Cas9، همانند قیچی ملکولی است که به هر جایی که شما بخواهید می‌رود و توالی را یک بار برش می‌دهد اما Cas3 به بخش مورد نظر می‌رود، در طول کروموزوم حرکت می‌کند و می‌تواند قطعات طویلی را با اندازه‌ی ده‌ها کیلوباز برش دهد. این توانایی موجب می‌شود که این ابزار تبدیل به ابزار قدرتمند غربالگری برای تعیین توالی‌های مهم مرتبط با بیماری‌ها شود.

این امر به‌ویژه زمانی مفید است که دانشمندان در حال مطالعه‌ی قطعات بلند غیرکدکننده‌ی DNA هستند که حاوی کدی برای یک پروتئین خاص نیستند. تکنیک برش به آن‌ها اجازه می‌دهد که یک توالی بلند را از بین ببرند و ببینند پس از آن چه اتفاقی می‌افتد. علاوه‌بر‌این، توانایی Cas3 برای حرکت روی کروموزوم در فواصل طولانی با هیچ یک از تکنیک‌های فعلی Cas9 عملی نیست. بنابراین نسخه‌ی بدون نوکلئاز Cas3 که می‌تواند در طول DNA حرکت کند ولی فاقد عملکرد برش است، ممکن است به ابزار قدرتمندی برای تحویل قطعات بلند DNA در کارهای مهندسی اپی‌ژنوم تبدیل شود.

یکی از چالش‌های پیش‌روی پژوهشگران، این است که بیشتر خطوط سلول‌های بنیادیِ گزارشگر که برای پژوهش‌های مرتبط با CRISPR-Cas9 توسعه پیدا کرده اند، نسبت‌به فعالیت برشی کم حساس نیستند و آن را نشان نمی‌دهند. در این رابطه، سارا هودن از دانشگاه ملبورن روی ایجاد خطوط سلولی حساس و دو منظوره‌ی گزارشگر کار کرده است.

یکی دیگر از چالش‌های این پژوهشگران، این بود که مشخص کنند پس از انجام برش، چه قطعه ای از DNA از بین رفته است. آن‌ها این کار را با توالی‌یابی نسل جدید DNA و فراتر رفتن از روش‌های موجود مورد استفاده برای مشاهده‌ی تغییرات کوچکی که در نتیجه‌ی استفاده از Cas9 ایجاد می‌شد، انجام دادند. هو، یکی از پژوهشگران این مطالعه، یک روش نمایه‌سازی مبتنی بر ترانسپوزاز توسعه داده و پیتر فردولینو به تجزیه‌و‌تحلیل عمیق توالی‌ها مشغول شده است.

کی در این مقاله خاطرنشان می‌کند به علت اینکه توالی راهنمای RNA که باید به دستگاه برش بگوید به کجا برود، نسبت‌به توالی راهنمای مورد استفاده در CRISPR-Cas9 طولانی‌تر است و نیز به‌علت اینکه مراحل جستجوی هدف و تخریب، به‌خوبی تفکیک شده هستند، کنترل روش جدید بهتر خواهد بود. احتمال بروز خطا و برش‌های اشتباه در توالی‌های غیرهدف نیز کمتر است. ژانگ معتقد است که ابزار جدید و مشتقات آن می‌توانند برای اهداف درمانی مفید باشند، اگرچه به سال‌ها پژوهش نیاز دارند.

اخیرا مواردی از درمان‌های مبتنی بر CRISPR-Cas9 نیز منتشر شده است؛ برای مثال ویرایش بحث‌برانگیز ژن گیرنده‌ی مرتبط با ویروس HIV در دو نوزادی که در چین متولد شدند. اما همواره نگرانی‌هایی درمورد تغییرات ناخواسته‌ی حاصل از CRISPR-Cas9 در مناطق طبیعی ژنوم بیماران نیز وجود داشته است. پژوهش‌های بیشتری باید انجام شود تا ببینیم آیا این روش می‌تواند از این اشتباهات اجتناب کند.