پزشکی بازساختی و سلول‌های بنیادی

ویروس‌های اصلاح‌ شده روشی مفید را برای وارد کردن اجزای CRISPR/Cas9 به هسته سلول‌ها ارائه کرده‌اند – با این حال گران هستند، مقیاس‌پذیری آن‌ها دشوار است و به طور بالقوه سمی هستند. هم اکنون، محققان یک رویکرد غیر ویروسی پیدا کرد اند که این کار را بهتر انجام میدهد.

فناوری CRISPR/Cas9 به عنوان یک فناوری ویرایش ژنی که تحقیقات زیست پزشکی را متحول کرده است، شناخته شده است. اکنون، محققان پس از کشف روش جدیدی برای استفاده از این فناوری که کارایی ویرایش آن را بهبود میبخشد و راه جدیدی برای ترمیم DNA ارائه میدهد، ابزار دیگری را به جعبه ابزار ویرایش ژن اضافه کردهاند.

فناوری CRISPR/Cas9 از سیستم ویرایش ژنوم طبیعی که باکتریها از آن به عنوان دفاع ایمنی استفاده میکنند، اقتباس شده است. وقتی باکتری‌ها توسط ویروس آلوده می‌شوند، قطعه کوچکی از DNA ویروس را برش میدهند و آن را با آرایش خاصی که به عنوان آرایه CRISPR شناخته می‌شود، در ژنوم خود وارد می‌کنند. این بدان معنی است که در آلودگی های بعدی، ویروس میتواند توسط باکتری شناسایی شود و  هدف نابودی قرار گیرد.

ویرایش ژن در انسان متکی بر آنزیم Cas9 است که با هدایت CRISPR، قطعه‌ای از DNA را برش میدهد. بخش برداشته شده میتواند با یک الگوی DNA مشابه (همولوگ) اما بهبود یافته با فرآیندی به نام تعمیر مبتنی بر همسانی جایگزین شود که مکانیسمهای طبیعی ترمیم DNA سلول را آغاز میکند. ویروس‌ها (که اصلاح شده‌اند و نمی توانند بیماری ایجاد کنند) معمولاً برای رساندن DNA الگو به هسته سلول استفاده می‌شوند، زیرا در ورود به سلول مؤثر هستند.

اکنون، محققان دانشگاه کالیفرنیا سانتا باربارا یک سیستم تحویل غیر ویروسی ایجاد کرده‌اند که کارایی توانایی‌ ویرایش ژن CRISPR/Cas9 را افزایش می‌دهد و ترمیم مبتنی بر همولوژی را تا حد زیادی بهبود می‌بخشد.

ویروس‌هایی که برای اهداف ویرایش ژنی استفاده می‌شوند گران هستند، مقیاس‌پذیری سختی دارند و به طور بالقوه برای سلول‌ها سمی هستند. بنابراین محققان به دنبال توسعه یک روش جایگزین برای انتقال و افزودن پیوندهای عرضی بین رشته ای به الگوی تعمیر مبتنی بر همسانی بودند.

جداسازی دو رشته مارپیچ DNA برای فرآیندهای سلولی مانند همانندسازی و رونویسی ضروری است. پیوندهای عرضی بین رشته ای (ICLs) ضایعات DNA ای سمی هستند که این رشته ها را به هم متصل کرده و جداسازی و در نتیجه رونویسی و تکثیر را مهار میکنند. بسیاری از شیمی‌درمانی‌های سرطان، ICLهایی را ایجاد می‌کنند که مانع تکثیر سلول‌های سرطانی میشوند.

محققان دریافتند که آسیب ناشی از افزودن ICL به الگوی تعمیر مبتنی بر همسانی در واقع احتمال موفقیت در ویرایش ژن را بهبود می‌بخشد و ترمیم سلولی را تحریک می‌کند.

کریس ریچاردسون، نویسنده مسئول این مطالعه گفت: اساساً کاری که ما انجام داده‌ایم این است که این DNA الگو را گرفته و به آن آسیب رسانده‌ایم. ما در واقع به شدیدترین شکلی که فکر میکنم به آن آسیب رساندهایم. و سلول نمیگوید: «هی، این آشغال است. اجازه دهید آن را دور بریزم.» آنچه سلول در واقع میگوید این است: «هی، این عالی به نظر میرسد. بگذارید آن را به ژنوم خود بچسبانم.»

آنها دریافتند که استفاده از ICL ها فعالیت ویرایش ژن را تا سه برابر در مقایسه با کنترلهای فاقد ICL بهبود میبخشد. با افزایش فعالیت ویرایش، محققان انتظار داشتند که خطاهای بیشتری ببینند. در عوض، آنها هیچ افزایشی در فرکانس جهش مشاهده نکردند.

ریچاردسون گفت: «آنچه که ما فکر می‌کنیم این است که سلول DNA آسیب‌دیده‌ای را که ما این ICL را به آن اضافه کرده‌ایم، شناسایی کرده و تلاش می‌کند تا آن را ترمیم کند و با انجام این کار، عبور سلول از یک ایست بازرسی را به تأخیر می اندازد، یعنی جایی که به طور معمول در آن این فرآیند نوترکیبی را متوقف میکند. و بنابراین با طولانی کردن مدت زمانی که سلول برای انجام این نوترکیبی نیاز دارد، احتمال تکمیل ویرایش ها را بیشتر میکند.

نوترکیبی فرآیندی است که طی آن قطعات DNA شکسته و ترمیم می شوند (بازترکیب) تا نسخه های جدیدی از توالی های DNA (الل ها) تولید شود.

محققان میگویند که روش جدید ویرایش ژن آنها در محیط آزمایشگاهی برای توسعه مدلهای کارآمدتر بیماری مفید خواهد بود و درها را به روی مداخلات بالینی و درمانی بهتر باز میکند.

هانا قاسمی، نویسنده ارشد این مطالعه گفت: «ما می‌توانیم به طور مؤثرتری ژن‌ها را خاموش کرده و چیزهایی را در ژنوم وارد کنیم تا سیستم‌های خارج از بدن انسان را در یک محیط آزمایشگاهی مطالعه کنیم.»

این مطالعه در مجله Nature Biotechnology منتشر شد.

منبع: UC Santa Barbara