معرفی تکنیک جدید برش DNA که فراتر از تکنیک کریسپر معمولی است
پژوهشگران روش جدید ویرایش ژنی توسعه داده‌اند که نسبت‌به کریسپر معمولی، قابلیت‌های بیشتری دارد.
ابزار کریسپر که از باکتری‌ها قرض گرفته شده است، به‌طور موفقیت‌آمیزی می‌تواند قطعاتی از DNA درون سلول‌های انسانی را پیدا کرده، بریده و تخریب کند؛ تکنیکی که می‌تواند به کمک پژوهش و درمان بیاید.
طی ۶ سال گذشته، ابزار CRISPR-Cas9، باعث تغییر پژوهش‌های ژنتیکی گردیده است و به دانشمندان این امکان را داده که رشته‌های DNA را با دقت بالایی برش و ویرایش کنند؛ درست مانند یک جفت قیچی کوچک.
اما گاهی اوقات برای انجام این کار به چیزی بیش از یک قیچی نیاز است. به‌تازگی، گروهی از پژوهشگران بین‌المللی از روش کریسپر جدیدی رونمایی کرده‌اند که همچون یک دستگاه برش عمل کرده و می‌تواند قطعات طولانی DNA را در سلول‌های انسانی با هدف‌گیری قابل برنامه‌ریزی از بین ببرد.
پژوهشگران در مقاله‌ی فوق، به تشریح موفقیت خود در توسعه‌ی سیستم جدیدی از CRISPR-Cas پرداخته‌اند. این سیستم که Type I CRISPR-Cas3 نام گرفته است، در سلول‌های انسانی همانند یک ابزار ویرایش دوربُرد عمل می‌کند. ابزار حاصل درمقایسه با ابزار Cas9، فرآهم آورنده‌ی راهی برای هدف‌گیری و حذف قطعات بسیار طولانی‌تر از DNA است. این قدرت می‌تواند در پژوهش‌های ژنتیکی و برای درک اساس بیماری‌ها و احتمالا درمان بیماری‌هایی که با قطعات بلند DNA ارتباط دارند، به کار رود.
یان ژانگ از دانشگاه میشیگان توضیح می‌دهد که ابزار جدید درمقایسه با روش‌های مبتنی بر Cas9، نوع متقاوتی از سیستم کریسپر را مهار کرده و به کار می‌گیرد. هر دوی این روش‌ها مربوط‌به باکتری هستند. درواقع این میکروارگانیسم‌ها برای یافتن و تخریب DNA مهاجم از این روش‌ها استفاده می‌کنند.
نوع متفاوتی از کریسپر
در ابزار جدید از سیستم کریسپر نوع اول (Type I CRISPR) استفاده می‌گردد که رواج آن در باکتری‌ها نسبت به نوع دوم که Cas9 نیز شامل آن می‌گردد، بیشتر است. کریسپر نوع اول تاکنون هیچ‌گاه در سلول‌های یوکاریوتی استفاده نگردیده بود. در این سیستم از یک کمپلکس ریبوپروتئینی به نام Cascade برای جستجوی هدف و آنزیمی به نام Cas3 برای برش DNA استفاده می‌گردد. بخش بهینه‌سازی و خالص‌سازی پروتئین در آزمایش دانشگاه کورنل و با همکاری دکتر ایلونگ‌کی انجام گرفت.
این پژوهش حاصل تلاش طولانی‌مدت ژانگ و ایلونگ‌کی است. ژانگ برای مدت‌ها سیستم CRISPR-Cas9 باکتریایی را مورد مطالعه قرار داده و ابزارهایی را برای ویرایش ماده‌ی ژنتیکی سلول‌های انسانی توسعه داده است. ایلونگ کی نیز تکنیک کریسپر نوع اول را با استفاده از رویکردهای ساختاری و بیوشیمایی مطالعه کرده است. آن‌ها سعی کردند که اجزای کریسپر باکتریایی را به عنوان پروتئین به سلول‌های بنیادی جنینی انسان و نوع دیگری از سلول‌ها به نام HAP1 تحویل دهند. این پژوهشگران با استفاده از توالی راهنمای کریسپر توانستند بخش‌های از DNA را حذف کنند. توالی‌های حذف گردیده از چند‌صد جفت باز تا ۱۰۰ کیلوباز تشکیل گردیده بودند.
یک دستگاه برش موتوری
ژانگ سیستم Cascade-Cas3 را یک دستگاه موتوری برش DNA می‌نامد زیرا این سیستم می‌تواند در طول ژنوم و تا اندازه‌ی مشخصی حرکت کند و همان‌طور که پیش می‌رود، مواد ژنتیکی را بشکند. ژانگ می‌گوید:
ابزار Cas9، همانند قیچی ملکولی است که به هر جایی که شما بخواهید می‌رود و توالی را یک بار برش می‌دهد اما Cas3 به بخش مورد نظر می‌رود، در طول کروموزوم حرکت می‌کند و می‌تواند قطعات طویلی را با اندازه‌ی ده‌ها کیلوباز برش دهد. این توانایی موجب می‌گردد که این ابزار تبدیل به ابزار قدرتمند غربالگری برای تعیین توالی‌های مهم مرتبط با بیماری‌ها گردد.
این امر به‌ویژه زمانی مفید است که دانشمندان در حال مطالعه‌ی قطعات بلند غیر کدکننده‌ی DNA هستند که حاوی کدی برای یک پروتئین خاص نیستند. تکنیک برش به آن‌ها اجازه می‌دهد که یک توالی بلند را از بین ببرند و ببینند پس از آن چه اتفاقی می‌افتد. علاوه‌بر‌این، توانایی Cas3 برای حرکت روی کروموزوم در فواصل طولانی با هیچ یک از تکنیک‌های فعلی Cas9 عملی نیست. بنابراین نسخه‌ی بدون نوکلئاز Cas3 که می‌تواند در طول DNA حرکت کند ولی فاقد عملکرد برش است، ممکن است به ابزار قدرتمندی برای تحویل قطعات بلند DNA در کارهای مهندسی اپی‌ژنوم تبدیل گردد.
چالش‌های علمی
یکی از چالش‌های پیش‌روی پژوهشگران، این است که بیشتر خطوط سلول‌های بنیادیِ گزارشگر که برای پژوهش‌های مرتبط با CRISPR-Cas9 توسعه پیدا کرده اند، نسبت‌به فعالیت برشی کم حساس نیستند و آن را نشان نمی‌دهند. در این رابطه، سارا هودن از دانشگاه ملبورن روی ایجاد خطوط سلولی حساس و دو منظوره‌ی گزارشگر کار کرده است.
یکی دیگر از چالش‌های این پژوهشگران، این بود که مشخص کنند پس از انجام برش، چه قطعه‌ای از DNA از بین رفته است. آن‌ها این کار را با توالی‌یابی نسل جدید DNA و فراتر رفتن از روش‌های موجود مورد استفاده برای مشاهده‌ی تغییرات کوچکی که در نتیجه‌ی استفاده از Cas9 ایجاد می‌گشت، انجام دادند. هو، یکی از پژوهشگران این مطالعه، یک روش نمایه‌سازی مبتنی بر ترانسپوزاز توسعه داده و پیتر فردولینو به تجزیه‌و‌تحلیل عمیق توالی‌ها مشغول گردیده است.
کی در این مقاله خاطرنشان می‌کند به علت اینکه توالی راهنمای RNA که باید به دستگاه برش بگوید به کجا برود، نسبت‌به توالی راهنمای مورد استفاده در CRISPR-Cas9 طولانی‌تر است و نیز به‌علت اینکه مراحل جستجوی هدف و تخریب، به‌خوبی تفکیک گشته‌اند، کنترل روش جدید بهتر خواهد بود. احتمال بروز خطا و برش‌های اشتباه در توالی‌های غیرهدف نیز کمتر است. ژانگ معتقد است که ابزار جدید و مشتقات آن می‌توانند برای اهداف درمانی مفید باشند، اگرچه به سال‌ها پژوهش نیاز دارند.
اخیرا مواردی از درمان‌های مبتنی بر CRISPR-Cas9 نیز منتشر گردیده است؛ برای مثال ویرایش بحث‌برانگیز ژن گیرنده‌ی مرتبط با ویروس HIV در دو نوزادی که در چین متولد شدند. اما همواره نگرانی‌هایی درمورد تغییرات ناخواسته‌ی حاصل از CRISPR-Cas9 در مناطق طبیعی ژنوم بیماران نیز وجود داشته است. پژوهش‌های بیشتری باید انجام گیرد تا ببینیم آیا این روش می‌تواند از این اشتباهات اجتناب کند.
