ابزار CRISPR (ویرایش ژن) جدید می تواند تعداد زیادی از بیماریهای ژنتیکی را برطرف کند

این سیستم به محققان اجازه می دهد تا کنترل بیشتری روی تغییرات DNA داشته باشند ، این سیستم به طور بالقوه شرایطی را ایجاد می کند که ویرایشگرهای ژن را به چالش میکشد.یک ابزار جدید ویرایش ژن به نام ویرایش اولیه امکان دقت و کنترل بیشتر بر ویرایش های DNA را در مقایسه با سیستم محبوب CRISPR-Cas9 فراهم می کند.با توجه به سهولت استفاده از ابزار ویرایش ژن CRISPR-Cas9 بسیار محبوب که ژنوم را تغییر می دهد ، این ابزار  هنوز هم تا حدی آشفتگی دارد و مستعد خطا و اثرات ناخواسته میباشد. اکنون، یک جایگزین که به تازگی ساخته شده است ، کنترل بیشتری بر روی ویرایش ژنوم ارائه می دهد - پیشرفتی که می تواند برای توسعه ژن درمانی از اهمیت ویژه ای برخوردار باشد.

روش جایگزین ، به نام ویرایش اولیه ، شانس اینکه محققان به جای داشتن ترکیبی از تغییراتی که نمی توانند پیشبینی کنند ، تنها ویرایش های مورد نظر خود را داشته باشند بهبود میبخشد. این ابزار ، در یک مطالعه که اخیرا در مجله Nature منتشر شده است ، توصیف شد و همچنین اثرات "خارج از هدف" را که یک چالش اساسی برای برخی از برنامه های سیستم استاندارد CRISPR-Cas9 است ، کاهش می دهد. این امر می تواند روشهای ژن درمانی مبتنی بر ویرایش اولیه را برای استفاده در افراد ایمن تر کند.

به نظر می رسد این ابزار همچنین قادر به ایجاد ویرایش های گسترده تری است که ممکن است روزی به آن اجازه دهد تا برای درمان بسیاری از بیماری های ژنتیکی که تاکنون ویرایشگرهای ژنتیکی آن را درمان نکرده اند ، مورد استفاده قرار گیرد. دیوید لیو ، زیست شناس شیمیایی در انستیتوی گسترده MIT و هاروارد در کمبریج ، ماساچوست و نویسنده راهنمای این مطالعه، تخمین می زند که ویرایش اولیه ممکن است به محققان برای مقابله با نزدیک به 90% از بیش از 75000 واریانت DNA مرتبط با بیماری های فهرست شده در ClinVar، یک پایگاه داده عمومی که توسط موسسه ملی بهداشت ایالات متحده تهیه شده است ، کمک کند.

لیو می گوید ، ویژگی تغییراتی که این ابزار جدید قادر به انجام آن است نیز می تواند باعث شود محققان بتوانند آسان تر مدل های بیماری را در آزمایشگاه ایجاد کنند یا بر روی عملکرد ژن های خاص مطالعه کنند.

بریتانی آدامسون که در ترمیم DNA و ویرایش ژن در دانشگاه پرینستون در نیوجرسی تحصیل می کند، می گوید: "روزهای اولیه است ، اما نتایج اولیه فوق العاده به نظر می رسند."شما خواهید دید که بسیاری از افراد از آن استفاده میکنند."

زیست شناس مولکولی Erik Sontheimer  در دانشکده پزشکی دانشگاه ماساچوست می گوید ، ویرایش نخست ممکن است نتواند حذف و اضافه های بسیار بزرگ DNA را که CRISPR-Cas9 قادر به انجام آن است ایجاد کند - بنابراین بعید است که این ابزار ویرایش کاملاً جایگزین شود . دلیل این است که برای ویرایش اولیه ، تغییری که یک محقق می خواهد ایجاد کند روی رشته RNA رمزگذاری شده است. هرچه این رشته طولانی تر شود ، احتمال آسیب دیدن توسط آنزیم های موجود در سلول بیشتر میشود.

Erik Sontheimer میگوید : "طعم های مختلف سیستم عامل ویرایش ژنوم هنوز هم برای انواع مختلف ویرایش مورد نیاز میباشند."

اما به نظر می رسد که ویرایش اولیه دقیق تر و متنوع تر از سایر گزینه های CRISPR است که تاکنون توسعه یافته اند. این نسخه ها شامل نسخه های اصلاح شده CRISPR-Cas9 است که محققان را قادر می سازند تا یک حرف DNA را با دیگری تغییر دهند ، و ابزارهای قدیمی تر مانند نوکلئاز های انگشت روی، که انجام هر ویرایش مورد نظر بطور متناسب توسط آنها دشوار است.

رهایی از کنترل

CRISPR-Cas9 و ویرایش اولیه هر دو با برش DNA در یک نقطه خاص از ژنوم کار می کنند. CRISPR-Cas9 هر دو رشته مارپیچ DNA را شکسته و سپس به سیستم ترمیمی خود  سلول تکیه می کند تا آسیب را برطرف کند و ویرایش ها را انجام دهد. اما این سیستم ترمیم غیرقابل اطمینان است و می تواند حروف DNA را در نقاطی که ژنوم بریده شده است حذف یا اضافه کند. این امر می تواند منجر به ایجاد یک ترکیب غیرقابل کنترل ویرایش شود که بین سلول ها متفاوت است.

علاوه بر این ، حتی وقتی محققان از الگویی برای راهنمایی نحوه ویرایش ژنوم استفاده می کنند ، سیستم ترمیم DNA در اکثر سلول ها  به احتمال زیاد باعث حذف یا اضافه های اتفاقی میشود که باعث اضافه شدن یک توالی خاص DNA به ژنوم میشود. این امر اینکه محققان بتوانند از CRISPR-Cas9 برای بازنویسی یک قطعه DNA با توالی که خود انتخاب کرده اند استفاده کنند را دشوار و در برخی موارد تقریبا غیرممکن میسازد.

ویرایش اولیه این مشکلات را پشت سر می گذارد. اگرچه ویرایش اولیه همچنان از Cas9 برای تشخیص توالی ویژه  DNA  دقیقاً مانند CRISPR-Cas9 استفاده میکند،  آنزیم Cas9 در ابزار ویرایش اولیه طوری اصلاح شده است تا فقط یک رشته DNA را ببرد. سپس ، آنزیم دوم به نام رونویس معکوس و با هدایت رشته ای از RNA ، ویرایش ها را در محل برش انجام می دهد.

برای ایجاد تغییرات ، آنزیم های ویرایش اولیه مجبور به شکستن هر دو رشته DNA نیستند و محققان از اتکا به سیستم ترمیم DNA سلول - که آنها قادر به کنترل آن نیستند - برای انجام ویرایش هایی که می خواهند انجام دهند ، رها هستند. این بدان معناست که ویرایش اولیه می تواند باعث توسعه درمان های بیماری های ژنتیکی ناشی از جهش هایی شود که به راحتی توسط ابزارهای ویرایش ژن موجود قابل بررسی نیستند.

یک ابزار چند منظوره

پیش از این ، محققان ، از جمله لیو ، فکر می کردند که باید ابزار ویرایش ژن اختصاصی برای هر دسته از تغییراتی که می خواستند در یک ژنوم انجام دهند ، ایجاد کنند : درج ها ، حذف ها یا جابجایی های حروف DNA. و زمانیکه نیاز به جابجایی های دقیق وجود داشت ، گزینه ها محدود میشدند.

یک تکنیک قدیمی به نام ویرایش پایه که از نظر دقت با ویرایش اولیه قابل مقایسه است ، بطور شیمیایی یک حرف DNA را مستقیماً به دیگری تبدیل می کند - کاری که CRISPR - Cas9 نمی تواند انجام دهد - مانند تبدیل یک T به A یا G به C ، بدون شکستن هر دو رشته DNA. ویرایش پایه که توسط لیو ایجاد شد، می تواند برای اصلاح برخی از بیماریهای ژنتیکی ناشی از جهش های تک حرفه ، از جمله رایج ترین شکل کم خونی سلول داسی مفید باشد.

اما ویرایش پایه نمی تواند به اختلالات ژنتیکی ناشی از جهش های چند حرفی مانند بیماری Tay-Sachs، یک بیماری معمولاً کشنده است که به طور معمول با وارد شدن چهار حرف DNA به ژن HEXA ایجاد می شود ، کمک کند.

بنابراین لیو و همکارانش تصمیم گرفتند ابزار دقیق ویرایش ژنی را ایجاد کنند که برای محققان امکان انعطاف پذیری و کنترل انواع مختلف ویرایش ها را بدون نیاز به ایجاد سیستم های سفارشی فراهم کند. در سال 2018 ، این تیم ویرایش اولیه را کشف کردند : ترکیبی از آنزیم ها ، از جمله آنزیم اصلاح شده Cas9 که می تواند حروف DNA فرد را تغییر دهد ، حروف را حذف کند یا یک سری حروف را درون یک ژنوم با حداقل آسیب به رشته های DNA وارد کند.

Sontheimer می گوید : "این خارق العاده است."وسعت جهش هایی که می توان معرفی کرد یکی از بزرگترین پیشرفت ها است. این عالی است."

اما تیم لیو و دیگران اکنون باید با دقت ارزیابی کنند که این سیستم در انواع سلول ها و ارگانیسم ها چگونه کار می کند. لیو می گوید : "این مطالعه اول ، فقط آغاز - و نه پایان – یک آرزوی دیرینه در علوم زندگی است تا بتواند در هر موقعیتی از ارگانیسم هرگونه تغییر DNA را ایجاد کند."