اصلاح ۹۰ درصد از نقص‌های ژنتیکی با ابزار جدید ویرایش ژن

با تمام مزایا و سهولتی که ابزار ویرایش ژنوم کریسپر Cas9 ازنظر تغییر ژنوم دارد، این روش هنوز کامل نبوده و مستعد به خطا و اثرات ناخواسته است. به‌تازگی جایگزینی برای این روش معرفی شده است که امکان کنترل بیشتر فرایند ویرایش ژنوم را فراهم می‌سازد؛ پیشرفتی که می‌تواند در توسعه‌ی روش‌های ژن‌درمانی مهم باشد.

روش جایگزین که ویرایش بنیادی (prime editing) یا روش جستجو و جایگزینی (search-and-replace) خوانده می‌شود، احتمال اینکه پژوهشگران در انتهای کار با ترکیبی از تغییرات غیرمنتظره مواجه شوند، را کاهش داده و موجب می‌شود فقط تغییر مورد نظر آن‌ها در ژنوم رخ دهد. این ابزار که در مجله‌ی Nature تشریح شده است، احتمال بروز اثرات دور از هدف را کاهش می‌دهد که یکی از چالش‌های اصلی برخی از کاربردهای سیستم استاندارد کریسپر Cas9 است.

همچنین به‌نظر می‌رسد که این ابزار قادر به ایجاد انواع مختلفی از ویرایش‌ها باشد. براین‌اساس، شاید روزی این روش برای درمان بسیاری از بیماری‌های ژنتیکی که ویرایشگرهای ژنتیکی فعلی قادر به اصلاح آن‌ها نیستند، مورد استفاده قرار گیرد. دیوید لیو نویسنده‌ی مقاله برآورد می‌کند که ویرایش بنیادی می‌تواند در مقابله با ۹۰ درصد از بیش از ۷۵ هزار واریانت ژنتیکی مرتبط با بیماری‌ها که در پایگاه داده‌ی ClinVar فهرست شده است، سودمند باشد.

ابزار جدید ویرایش ژن که ویرایش بنیادی نامیده می‌شود، در‌مقایسه‌با سیستم رایج کریسپر Cas9، دقت و کنترل بیشتری روی ویرایش DNA مهیا می‌کند

لیو می‌گوید اختصاصی بودن تغییراتی که ابزار جدید قادر به انجام آن است، می‌تواند به پژوهشگران کمک کند تا به آسانی مدل‌هایی از بیماری‌های مختلف را در آزمایشگاه توسعه دهند یا عملکرد ژن‌های خاص را مورد مطالعه قرار دهند. بریتانی آدامسون که در دانشگاه پرینستون در نیوجرسی در حال مطالعه‌ی ترمیم DNA و ویرایش ژن است، می‌گوید:

هنوز روزهای اولیه‌ی این پژوهش است اما نتایج اولیه فوق‌العاده به‌نظر می‌رسند. بسیاری از افراد از این روش استفاده خواهند کرد.

اریک سانتیمر زیست‌شناس دانشکده‌ی پزشکی دانشگاه ماساچوست می‌گوید:

ویرایش بنیادی قادر به درج‌ها و حذف‌های بزرگی در رشته‌ی DNA نیست؛ چیزی که کریسپر Cas9 قادر به انجام آن است، بنابراین بعید است که این تکنیک کاملا جایگزین کریسپر معمولی شود.

علت آن است که در روش ویرایش بنیادی، تغییری که پژوهشگران به دنبال ایجاد آن هستند، روی یک رشته از RNA کدگذاری شده است. هرچه رشته طویل‌تر شود، احتمال آسیب دیدن آن به‌وسیله‌ی آنزیم‌های موجود در سلول بیشتر می‌شود. سانتیمر می‌گوید:

هنوز برای انجام انواع مختلف ویرایش به سیستم‌های مختلف ویرایش ژنوم نیاز است.

اما به‌نظر می‌رسد که ویرایش بنیادی دقیق‌تر و تطبیق‌پذیرتر از دیگر جایگزین‌های کریسپر که تاکنون توسعه یافته‌اند، باشد. روش‌های جایگزین پیشین شامل نسخه‌های اصلاح‌شده از کریسپر Cas9 هستند که پژوهشگران را قادر می‌سازند تا یک حرف DNA را با حرف دیگری جایگزین کنند و ابزارهای قدیمی‌تری مانند نوکلئازهای انگشت روی نیز وجود دارند که انطباق دادن آن با ویرایش‌های مورد نظر دشوار است.

آزادی ازطریق کنترل

کریسپر Cas9 و ویرایش بنیادی، هر دو ازطریق برش DNA در نقطه‌ی خاصی از ژنوم کار می‌کنند. کریسپر Cas9 هر دو رشته‌ی مارپیچ مضاعف DNA را شکسته و سپس برای برطرف کردن آسیب و ویرایش ژنوم روی سیستم ترمیم خود سلول تکیه می‌کند. اما سیستم ترمیم سلول غیر قابل اطمینان است و می‌تواند حروف DNA را در نقطه‌ای از ژنوم که برش خورده است، درج یا حذف کند. این موضوع می‌تواند منجر به ترکیب غیر قابل کنترلی از ویرایش‌ها شود که در میان سلول‌ها متفاوت است.

علاوه‌بر‌این، حتی وقتی پژوهشگران الگویی را برای راهنمایی نحوه‌ی ویرایش ژنوم وارد سیستم می‌کنند، احتمال زیادی وجود دارد که سیستم ترمیم در بیشتر سلول‌ها به‌جای افزودن یک توالی خاص، درج‌ها یا حذف‌های کوچک و تصادفی ایجاد کند. این امر موجب می‌شود که استفاده از کریسپر Cas9 برای بازنویسی یک قطعه از DNA که دارای توالی مورد نظر است، دشوار یا حتی غیرممکن شود. ویرایش بنیادی این مشکلات را حل می‌کند. اگرچه در این سیستم نیز از آنزیم Cas9 برای شناسایی توالی‌های خاصی از DNA استفاده می‌شود (درست مانند همان کاری که کریسپر Cas9 انجام می‌دهد)، آنزیم Cas9 در ابزار ویرایش بنیادی به گونه‌ای اصلاح شده است که تنها یک رشته از DNA را برش می‌دهد. سپس آنزیم دیگری که ترانس‌کریپتاز معکوس نام دارد و با رشته‌ای از RNA هدایت می‌شود، ویرایش را در محل برش انجام می‌دهد.

تکنیک ویرایش بنیادی تعداد تغییرات ناخواسته در ژنوم را با وارد کردن ویرایش‌های مورد نظر به خود رشته‌ی DNA کاهش می‌دهد. این روش برخلاف کریسپر Cas9 است که برای ایجاد این تغییرات، متکی بر سیستم ترمیم سلول است. نیازی نیست که آنزیم‌های ویرایش بنیادی برای ایجاد تغییرات مورد نظر هر دو رشته را برش دهند. آن‌ها به پژوهشگران کمک می‌کنند تا برای ایجاد تغییرات مورد نظر خود متکی بر سیستم ترمیم DNA نباشند. سیستم ترمیم سلول قابل کنترل نیست. این بدان معنا است که ویرایش بنیادی می‌تواند توسعه‌ی درمان‌هایی را برای بیماری‌های ژنتیکی ناشی از جهش‌هایی که با ابزارهای فعلی ویرایش ژن اصلاح نمی‌شوند، در پی داشته باشد.

یک ابزار چند منظوره

پیش از این، پژوهشگرانی ازجمله خود لیو بر این باور بودند که برای ایجاد هر دسته از تغییرات دلخواه در ژنوم، لازم است ابزار ویرایش ژن اختصاصی طراحی کنند: درج‌ها، حذف‌ها یا جایگزینی حروف DNA. با در نظر گرفتن دقت مورد نیاز برای انجام این ویرایش‌ها، تعداد گزینه‌های موجود محدود می‌شد. تکنیک قدیمی‌تری که ویرایش پایه (base editing) نامیده می‌شود، ازنظر دقت با ویرایش بنیادی قابل مقایسه است. در این روش، ازنظر شیمیایی و بدون شکستن هر دو رشته‌ی DNA، یک حرف از DNA به‌طور مستقیم به حرف دیگری تبدیل می‌شود.

روش ویرایش پایه برای تصحیح برخی از بیماری‌های ژنتیکی ناشی از جهش‌های یک حرفی شامل شایع‌ترین فرم کم‌خونی سلول داسی شکل به‌وسیله‌ی خود لیو توسعه داده شد. اما ویرایش پایه نمی‌تواند به تصحیح اختلالات ژنتیکی ناشی از جهش‌های چندحرفی مانند بیماری تای-ساکس کمک کند. تای-ساکس یک بیماری معمولا کشنده است که به‌طور معمول در اثر درج چهار حرف DNA درون ژن HEXA ایجاد می‌شود. بنابراین لیو و همکارانش تصمیم گرفتند ابزار ویرایش ژن دقیقی را ایجاد کنند که بدون نیاز به سیستم‌های اختصاصی برای ایجاد انواع مختلف ویرایش، انعطاف‌پذیری داشته باشد و پژوهشگران قدرت کنترل بیشتری روی آن داشته باشند.

پژوهشگران در سال ۲۰۱۸ به فکر روش ویرایش بنیادی افتادند: ترکیبی از آنزیم‌ها شامل یک آنزیم اصلاح‌شده Cas9 که با ایجاد حداقل تغییر در رشته‌ی DNA، بتواند حروف انفرادی DNA را تغییر دهد، حروف را حذف کند یا مجموعه‌ای از حروف را وارد ژنوم کند. گروه لیو و پژوهشگران دیگر اکنون باید با دقت نحوه‌ی عملکرد این سیستم را در انواع مختلف سلول‌ها و ارگانیسم‌ها مورد ارزیابی قرار دهند. لیو می‌گوید:

مطالعه‌ی اول، نقطه‌ی آغاز کار و نه پایان کار در مسیر دستیابی به این آرزوی دیرینه‌‌ی علوم زیستی است که بتوانیم هر تغییر DNA را در هر نقطه‌ای از ژنوم یک ارگانیسم ایجاد کنیم.