انقلاب در فناوری CRISPR – هدف‌گیری دقیق هر ژن با آنزیم جدید

با روش جدیدی که مهندسان دانشگاه Duke توسعه داده‌اند، برخلاف فناوری اولیه ویرایش ژن CRISPR که تنها می‌توانست ژنوم انسان را به میزان 12.5% هدف بگیرد، اکنون با دسترسی به تقریباً هر ژن، هدف‌گرفتن و درمان طیف گسترده‌تری از بیماری‌ها امکان‌پذیر شده است.

Nature Communications مجله‌ای است که این مطالعه در آن منتشر شد. همکارانی از دانشگاه Harvard، مؤسسه فناوری Massachusetts، دانشکده پزشکی دانشگاه Massachusetts، دانشگاه زوریخ و دانشگاه McMaster نیز در مطالعه حضور داشتند.

Pranam Chatterjee، استادیار مهندسی زیست‌پزشکی دانشگاه Duke، گفت: «با این ابزار جدید می‌توانیم تقریباً 100% ژنوم را با دقت بسیار بیشتری هدف بگیریم،»

مروری بر سامانه CRISPR-Cas

CRISPR-Cas سامانه‌ای است که به باکتری‌ها امکان می‌دهد با استفاده از مولکول‌های RNA و پروتئین‌های مرتبط با CRISPR یا Cas، DNA ویروس‌های مهاجم را هدف بگیرند و نابود کنند؛ یک سامانه ایمنی باکتریایی است. از زمان کشف این فناوری ویرایش ژن ، پژوهشگران برای توسعه سامانه‌های جدید CRISPR در کاربردهای ژن‌درمانی و مهندسی ژنوم با یکدیگر رقابت کرده‌اند.

فناوری CRISPR هم به‌دلیل دستاوردهایش تا امروز و هم ظرفیت تغییر آینده، شایسته  جایزه نوبل شیمی 2020 شناخته شد.

گروه، کاربردهای درمانی بالقوه ابزار جدید را برای بیماری‌های ژنتیکی درمان‌ناپذیر با سامانه استاندارد CRISPR بررسی کرد. نخستین آزمایش‌ها روی سندرم Rett انجام شد؛ یک اختلال عصبی پیش‌رونده که به‌ویژه در زنان جوان دیده می‌شود و یکی از هشت جهش مختلف در یک ژن مشخص باعث آن می‌شود.

آزمایش دوم روی بیماری Huntington بود؛ اختلال عصبی نادر و ارثی که باعث تحلیل نورون‌های مغز می‌شود. گروه با استفاده از فناوری جدید و تغییر جهش‌هایی که قبلاً دسترس‌پذیر نبودند ، فرصت‌های بالقوه درمان برای هر دو بیماری ارائه کرد.

CRISPR کلاسیک و آنزیم جدید چگونه کار می‌کنند؟

پروتئین‌های Cas هنگام ویرایش ژنوم از دو جزء مهم استفاده می‌کنند. جزء نخست یک مولکول RNA است که آنزیم را به توالی مشخص DNA هدایت می‌کند. جزء دوم توالی کوتاه DNA موردنیاز برای اتصال پروتئین Cas است که بلافاصله پس از توالی هدف قرار دارد و protospacer adjacent motif (PAM) نامیده می‌شود. این اجزا هدایت درست و مؤثر پروتئین‌های Cas به توالی DNA هدف را ممکن می‌کنند.

هنگامی که RNA راهنما توالی مکمل DNA هدف را شناسایی می‌کند و آنزیم Cas به توالی PAM کنار آن متصل می‌شود، آنزیم برشی در DNA ایجاد می‌کند. این برش امکان آغاز تغییرات دلخواه در ساختار ژنتیکی را فراهم می‌کند. رایج‌ترین سامانه CRISPR-Cas، سامانه Cas9 باکتری Streptococcus pyogenes است که به دو باز گوانین متوالی (GG) نیاز دارد (SpCas9).

Chatterjee و گروهش در کارهای قبلی با استفاده از ابزارهای بیوانفورماتیک، از جمله Sc++ که برای ایجاد برش تنها به یک باز گوانین در PAM نیاز دارد، پروتئین‌های جدید Cas9 را کشف و مهندسی کرده بودند. این تغییر امکان ویرایش حدود 50% همه توالی‌های DNA را به پژوهشگران داد.

هم‌زمان، همکاران Chatterjee در Harvard به رهبری Benjamin Kleinstiver، استادیار دانشکده پزشکی Harvard، واریانت جداگانه‌ای به نام SpRY ساختند. اگرچه SpRY می‌توانست به هر یک از چهار باز DNA تشکیل‌دهنده PAM متصل شود، تمایل بسیار قوی‌تری به آدنین و گوانین داشت.

ازآنجاکه هر دو سامانه کاستی‌هایی داشتند، گروه تصمیم گرفت بهترین ویژگی‌های هر دو را در واریانت جدیدی به نام SpRyc ترکیب کند.

اگرچه SpRYc در بریدن توالی‌های DNA هدف کندتر از نمونه‌های پیشین عمل می‌کند، می‌تواند نواحی مشخص DNA را مؤثرتر از آنزیم‌های سنتی ویرایش کند.

نتیجه‌گیری و تفسیر

SpRYc درهای دوره‌ای تازه در ویرایش ژن را می‌گشاید. ظرفیت‌های این آنزیم نوآورانه نه‌تنها در سطح آزمایشگاه، بلکه در فرایند انتقال به کاربردهای بالینی نیز اهمیت بالایی دارند. کارایی بهبودیافته و دقت بالای SpRYc ممکن است نقشی حیاتی در شکل‌دادن آینده ژن‌درمانی داشته باشند. پیشرفت در این حوزه افق‌های تازه‌ای در درمان بیماری‌های ژنتیکی می‌گشاید و کشف ظرفیت کامل SpRYc، مسیری هیجان‌انگیز برای جامعه علمی است.