موفقیت دانشمندان در ویرایش دقیق ژنوم میتوکندری

یک آنزیم باکتریایی عجیب به پژوهشگران این امکان را داده است تا به چیزی دست پیدا کنند که حتی سیستم ویرایش ژنوم CRISPR–Cas9 قادر به انجام آن نیست: تغییرات هدفمند در ژنوم میتوکندری که ساختارهای مهم تولید انرژی در سلول‌ها هستند. این تکنیک که برپایه‌ی نسخه‌ی بسیار دقیقی از ویرایش ژن به نام ویرایش پایه بنا شده است، به پژوهشگران اجازه می‌دهد تا روش‌های جدیدی را برای مطالعه و شاید حتی برای درمان بیماری‌های ناشی‌از جهش در ژنوم میتوکندریایی توسعه دهند. اختلالات مذکور معمولا توارث مادری دارند و در توانایی سلول برای تولید انرژی اختلال ایجاد می‌کنند.

اگرچه درمقایسه‌با ژنوم هسته‌ای، تعداد کمی ژن در ژنوم میتوکندریایی وجود دارد، این جهش‌ها می‌توانند به‌ویژه به سیستم عصبی و عضلات ازجمله قلب آسیب برسانند که می‌تواند برای افرادی که آن‌ها را ارث می‌برند، کشنده باشد. اما مطالعه‌ی چنین اختلالاتی دشوار است، زیرا دانشمندان راهی برای ساخت مدل‌های حیوانی که دچار همین تغییرات در ژنوم میتوکندری باشند، نداشتند. به‌لطف جدیدترین تکنیک، دانشمندان می‌توانند برای اولین بار چنین تغییرات هدفمندی را در ژنوم میتوکندری ایجاد کنند.

سیستم ویرایش ژن CRISPR–Cas9 به پژوهشگران اجازه می‌دهد تا ژنوم را به دلخواه خود تقریبا در هر ارگانیسمی که این روش در آن آزمایش شده است، تغییر دهند. اما این ابزار برای هدایت آنزیم Cas9 به منطقه‌ای از DNA که دانشمندان قصد تغییر آن را دارند، از رشته‌ای از RNA استفاده می‌کند. این روش به‌خوبی برای DNA که درون هسته‌ی سلول قرار دارد، کار می‌کند؛ اما پژوهشگران هیچ راهی برای انتقال آن RNA به میتوکندری فراگرفته‌شده با غشاها ندارند.

میتوکندری‌ها (به رنگ آبی) اندامک‌های تولیدکننده انرژی سلول هستند

در اواخر سال ۲۰۱۸، دیوید لیو، زیست‌شناس و شیمی‌دان موسسه‌ی برود موسسه‌ی فناوری ماساچوست و دانشگاه هاروارد در کمبریج، ایمیلی دریافت کرد: در سیاتل، گروهی از پژوهشگران تحت هدایت میکروب‌شناسی به نام جوزف موگوس در دانشگاه واشینگتن آنزیم عجیبی کشف کرده بودند. آنزیم مذکور نوعی توکسین بود که به‌وسیله‌ی باکتری بورخولدریا سنوسپاسیا (Burkholderia cenocepacia) ساخته می‌شد و وقتی با باز C (سیتوزین) در DNA رو‌به‌رو می‌شد، آن را به U (اوراسیل) تبدیل می‌کرد. ازآن‌جا که باز U که معمولا در DNA یافت نمی‌شود، مانند T (تیمین) رفتار می‌کند، آنزیم‌هایی که DNA سلول را تکثیر می‌کنند، آن را به‌عنوان T نسخه‌برداری کرده و اساسا باز C را در توالی ژنوم به T تبدیل می‌کنند.

لیو از آنزیم‌های مشابه در ویرایش پایه استفاده کرده بود که به پژوهشگران امکان می‌دهد تا از اجزای سیستم CRISPR–Cas9 برای تغییر یک باز DNA به باز دیگر استفاده کنند؛ اما آن آنزیم‌ها که سیتیدین دآمیناز نام دارند، معمولا فقط روی DNA تک‌رشته‌ای عمل می‌کنند.

توالی DNA در سلول‌های انسانی از دو رشته تشکیل می‌شود که به هم پیچ خورده‌اند و لیو در گذشته، برای شکستن DNA و ایجاد منطقه‌ای از DNA تک‌رشته‌ای بدون پیچ‌خوردگی که آنزیم‌های او بتوانند روی آن عمل کنند، متکی‌بر آنزیم Cas9 بوده است. به‌علت وابستگی به رشته‌ای از RNA که آنزیم Cas9 را هدایت می‌کند، این تکنیک نمی‌تواند به ژنوم میتوکندری دست پیدا کند؛ اما آنزیمی که گروه موگوس آن را پیدا کرده‌اند و DddA نامیده می‌شود، می‌تواند مستقیما روی DNA دو رشته‌ای بدون نیاز به آنزیم Cas9 برای شکستن آن، عمل کند. طبق استدلال لیو و موگوس، این امر می‌تواند آنزیم DddA را برای رسیدن به ژنوم میتوکندی مناسب سازد.

برای تبدیل DddA به ابزاری برای ویرایش ژنوم، لیو ابتدا نیاز به اهلی کردن این جانور درنده داشت، چرا که توانایی تغییر DNA همچنین موجب کشندگی آنزیم می‌شود؛ زیرا این آنزیم اگر از تنظیم خارج شود، به هر باز سیتوزینی که برسد، آن را دچار جهش خواهد کرد. پژوهشگران برای پیشگیری از این امر، آنزیم را به دو قطعه تقسیم کردند که تنها درصورتی‌که در محل مناسب گرد هم می‌آمدند، می‌توانستند DNA را تغییر دهند. برای کنترل محلی از DNA که آنزیم آن را اصلاح می‌کند، پژوهشگران هر نیمه از DddA را به پروتئین‌هایی متصل کردند که به گونه‌ای مهندسی شده بودند که به مکان‌های خاصی در ژنوم متصل شوند.

در‌حال‌حاضر در برخی کشورها از روشی به نام جایگزینی میتوکندریایی استفاده می‌شود که در آن هسته‌ی تخمک یا رویان به تخمک یا رویانی که حاوی میتوکندی سالم است، منتقل می‌شود. پژوهشگران همچنین درحال توسعه‌ی تکنیکی برای تصحیح جهش‌های میتوکندریایی با بهره‌گیری از این مزیت بوده‌اند که سلول‌ها می‌توانند حاوی هزاران نسخه از ژنوم میتوکندریایی باشند و غالبا، بخشی از این‌ میتوکندری‌ها حامل جهش مرتبط با بیماری نیستند. مورائس و دیگران درحال توسعه‌ی آنزیم‌هایی بوده‌اند که وارد میتوکندری شده و DNA را در محل جهش مضر برش دهد. میتوکندری اغلب به‌جای ترمیم محل برش، DNA آسیب‌دیده را تخریب می‌کند. نتیجه‌ی این کار، میتوکندری‌هایی است که از نسخه جهش‌یافته ژنوم خالی هستند و درنهایت به نسخه‌ی طبیعی اجازه می‌دهد که این ساختارها را احیا کند.

میشل مینچوک، متخصص ژنتیک میتوکندری در دانشگاه کمبریج در بریتانیا می‌گوید جدیدترین رویکرد ویرایش می‌تواند به پژوهشگران اجازه دهد تا چنین جهش‌هایی را حتی زمانی که میتوکندری فاقد تعداد کافی از نسخه‌های طبیعی ژن است، تصحیح کنند. اگرچه هنوز با کاربردهای پزشکی این رویکرد فاصله داریم، پژوهشگران در کوتاه‌مدت از این تکنیک برای تولید مدل‌های حیوانی که در آن‌ها بتوانند اثرات جهش‌های میتوکندریایی را مورد مطالعه قرار دهند، سود خواهند برد.