استفاده از ژن‌های پرش‌کننده برای اصلاح اشتباهات ژنتیکی ژنوم

گروهی از پژوهشگران ژنتیک در مقاله‌ای که در سال ۲۰۱۷ منتشر شد، به این موضوع اشاره کرده بودند که شاید روزی بتوان ژن‌های پرش‌کننده را برای ویرایش دقیق ژنوم مورد استفاده قرار داد و موجب ارتقای عملکرد کریسپر معمولی شد. مدت‌ها است پژوهشگران در راستای رسیدن به این هدف تلاش می‌کنند: جایگزینی توالی DNA مسبب بیماری با توالی سالم؛ کاری که شاید درمورد برخی از بیماری‌های ژنتیکی تنها روش درمان حقیقی باشد.

از آن زمان، پژوهشگران زیادی در حال تلاش برای استفاده از ژن‌های پرش‌کننده در این رابطه بودند تا اینکه بالاخره فنگ ژانگ به موفقیتی در این زمینه دست پیدا کرد. در مقاله‌ای که مراحل پذیرش آن برخلاف روال معمول که حدود ۴ ماه طول می‌کشد، ۲۵ روز زمان برد، ژانگ و همکارانش موفقیت خود در این زمینه را تشریح کرده‌اند.

این ژن به کمک آنزیم کریسپر روی بخشی از ژنوم که آدرس آن را دارد، قرار می‌گیرد و یک بسته از DNA سالم را به آن تحویل می‌دهد. گروه ژانگ این کار را در باکتری انجام داده‌اند اما دیگر زیست‌شناسان متحصص ویرایش ژن می‌گویند این سیستم در سلول‌های انسانی و به‌خصوص برای ترمیم ژن عامل بیماری نیز کاربردی است. شوکرات میتالیپو، نخستین دانشمند آمریکایی که از تکنیک کریسپر روی جنین انسان استفاده کرد، می‌گوید:

من فکر می‌کنم این چیزی است که می‌تواند برای اهداف درمانی مورد استفاده قرار گیرد. این روش می‌تواند در درمان‌های مبتنی بر ویرایش ژن، کارآمدتر و دقیق‌تر از کریسپر معمولی باشد. اگرچه این گام نخست در کار است ولی واقعا دلگرم‌کننده محسوب می‌شود.

این ترانسپوزون خاص که Tn7 نام دارد، چند دهه پیش در باکتری کشف شد. ترانسپوزون‌ها قطعاتی از DNA هستند که درون یک ژنوم می‌نشینند ولی به دلایلی که مشخص نیست، دارای توانایی حذف خود از جایگاه اصلی و پرش به جایگاه دیگری هستند. ترانسپوزون Tn7 از آنزیم Cas12 برای هدایت به مقصد بعدی استفاده می‌کند. آنزیم Cas12 به‌صورت معمول DNA را برش می‌دهد اما هنگامی که با Tn7 جفت می‌شود، این قیچی مولکولی غلاف‌دار می‌شود.

از زمان انتشار مقاله‌ی سال ۲۰۱۷، دانشمندان به‌دنبال راه‌هایی برای کنترل محل پرش این ژن‌ها بوده‌اند. ساخت یک مولکول راهنمای جدید باید به دانشمندان این امکان را بدهد که محل وارد شدن DNA به ژنوم را کنترل کنند. این اساسا همان چیزی است که گروه ژانگ آن را انجام دادند. آن‌ها کار خود را با ترانسپوزون Tn7 باکتری سایتونما هافمانی (Scytonema hofmanni) آغاز کردند و مولکول‌های راهنمای جدیدی را برای هدایت به یک آدرس خاص در ژنوم باکتری اشریشیا کلی و وارد کردن پکیج‌های DNA در آن محل ایجاد کردند. درمقایسه‌با نرخ موفقیت یک درصدی روش کریسپر معمولی ازنظر وارد کردن DNA، سیستم ژن پرش‌کننده موفقیتی حدود ۸۰ درصد به‌دست آورد.

این پژوهش به‌عنوان یک مطالعه‌ی اثبات مفهوم، با نشان دادن ظرفیت سیستم یادشده کار بزرگی انجام داده است و باید به‌عنوان یک مقاله‌ی بسیار مهم مورد توجه قرار گیرد. البته در این مرحله هنوز کاملا مشخص نیست که آیا این سیستم خاص برای اصلاح ژنوم مفید است یا نه، زیرا برخی از خصوصیات Tn7 ممکن است کارآیی آن را در موجوداتی به غیر از باکتری محدود کند اما به‌طور کلی استفاده از Tn7 به‌عنوان یک ویرایشگر بالقوه‌ی ژنوم هیجان‌انگیز است.

ژانگ این سیستم را «کریسپر همبسته با ترانسپوزاز» یا CAST می‌نامد و جاناتان استرکر آن را ثبت اختراع کرده است. نسخه‌ی ژن پرش‌کننده‌ی کریسپر به احتمال زیاد هنگامی که برای درمان یک بیماری ژنتیکی لازم باشد با اصلاح حروف اشتباه DNA عملکرد طبیعی ژن به آن بازگردانده شود، از نسخه‌ی کلاسیک کریسپر بهتر است. کریسپر سعی می‌کند این کار را با برش جهش‌ها و ارائه‌ی حروف درست انجام دهد. متاسفانه DNA چندان تمایلی به باز شدن و پذیرش این جایگزینی‌ها ندارد. به‌نظر می‌رسد که CAST دارای مشکل وارد کردن DNA نباشد. وقتی دانشمندان آن را برای ۴۸ هدف از ژنوم اشریشیا کلی برنامه‌ریزی کردند، CAST توانست در ۲۹ مورد موفق شود. این سیستم ویرایش مورد نظر را انجام داد و DNA را در ۸۰ درصد از باکتری‌ها وارد کرد؛ نرخی که کریسپر کلاسیک به هیچ عنوان به آن دست پیدا نکرده است.

البته یک مشکل‌ این است که در برخی از موارد DNA به مناطقی وارد شد که مورد هدف آزمایش نبودند. این مشکل غیرهدفمندی در کریسپر معمولی هم دیده می‌شود. بااین‌حال باید پژوهش‌های بیشتری انجام شود که نشان دهد آیا بروز یک تغییر غیرهدفمند می‌تواند مثلا با اتفاق افتادن در ژن سرکوب‌کننده‌ی تومور موجب شکست این روش شود یا خیر.