کریسپر، قیچی جادویی – بخش دوم

در بخش اول این مقاله، به‌طور مختصر با تاریخچه‌ی کشف کریسپر و عملکرد آن در باکتری‌ها آشنا شدیم. در این بخش می‌خواهیم بفهمیم دانشمندان چگونه از آن برای ویرایش ژن‌ها استفاده می کنند.

پس از کشف کریسپر سال‌های آغازین دهه‌ی ۹۰ میلادی، دانشمندانی از سوئد، اتریش، آلمان، فرانسه  و اسپانیا، تا کانادا و آمریکا، تا سال ۲۰۱۰ تلاش کردند تا رمز و رازهای سیستم کریسپر را به‌طور دقیق کشف کنند.

نقطه عطف این تلاش‌ها در سال ۲۰۱۰ رقم خورد، زمانی که خانم ” اِمانوئل شارپِنتیِر” (Emmanuelle Charpentier) و همکارانش نتایج مطالعات خود را منتشر کردند. در نتیجه‌ی مطالعات آنها مشخص شد سیستم کریسپر برای انجام عملکرد خود در باکتری، به ۳ جزء اساسی احتیاج دارد:

 اول، یک قطعه RNA، که حاصل رونویسی از توالی های فاصله انداز (Spacer) موجود جایگاه کریسپر در کروموزوم باکتری است. این قطعه «crRNA» (CRISPR RNA) نام دارد. این RNA، مکمل قطعات DNA مهاجم ویروسی است که به سلول باکتری وارد می‌شوند.

جزء دوم نیز یک قطعه کوچک RNA است، که با crRNA یک کمپلکس تشکیل می دهد و باعث فعال شدن و هدایت آنزیم Cas به سمت DNA مهاجم می‌شود. این قطعه، tracrRNA (Trans-activator RNA) نام دارد. جزء سوم آنزیمCas9  است. این آنزیم متداول‌ترین نوع از آنزیم‌های Cas است و می‌تواند به تنهایی دو رشته‌ای DNA را بُرش دهد.

از سال ۲۰۱۲ تاکنون، پژوهشگران به استفاده از کریسپر برای مطالعات ویرایش ژن در سلولهای جانوری و انسانی مشغول شدند. تا این زمان، دانشمندان با شناختی که از کریسپر بدست آوردند، مطمئن شدند که برای مهندسی ژن، کریسپر-Cas9 ساده‌ترین و ارزان‌ترین نوع از انواع مختلف سیستم‌های کریسپر باکتریایی است.

بررسی‌ها نشان داد که با ساختن crRNA دلخواه به‌طور مصنوعی در آزمایشگاه -یعنی قطعاتی از RNA که مکمل نواحی جهش یافته در ژنوم سلولهای یوکاریوتی هستند- و قرار دادن آنها درون کمپلکس RNA راهنما، می‌توان باعث بُرش دو رشته‌ی DNA در محل جهش توسط Cas9 شد.

با بروز شکستگی دو رشته‌ای در DNA، دو مسیر برای ترمیم آن وجود دارد. در مسیر اول که «نوترکیبی همولوگ» نام دارد، وجود یک قطعه DNA مشابه یا همولوگ قطعه‌ی جدا شده، به‌عنوان الگو برای پر کردن ناحیه‌ی بریده شده لازم است.

در این نوع تعمیر، به‌دلیل وجود الگو، احتمال بروز خطا کمتر است. سیستم نوترکیبی همولوگ بیشتر در حین سنتز DNA (S) و مرحله رشد اولیه (G1) عمل می کند. دانشمندان می‌توانند قطعات DNA الگویی مورد استفاده برای این مسیر را طراحی کرده و به همراه سیستم کریسپر، آن را به موقع درون هسته سلول‌ها وارد کنند. این فرایند باعث بازگرداندن کارایی به ژن‌های فاقد عملکرد شده و یا می‌تواند آنها را تغییر دهد.

دومین فرایند ترمیم، به نام «اتصال انتهایی غیرهمولوگ» (NHEJ یا Non-homologous End joining)، با اضافه کردن یا حذف کردن نوکلئوتیدها از ناحیه‌ی شکستگی، باعث برهم زدن توالی نوکلئوتیدی و در نتیجه از بین بردن کارایی ژنها شده و آن‌ها را خاموش می‌کند. این کار به اصطلاح ناک اوت یا ناک داون نام دارد (Knock down/knock out).

دانشمندان تاکنون توانسته‌اند با کمک سیستم کریسپر در شرایط آزمایشگاهی، در درمان سرطان ها، بیماری‌های ژنتیکی مادرزادی، بیماری‌های عفونی باکتریایی و ویروسی، و تولید محصولات غذایی دست‌ورزی شده و… موفق عمل کنند. اما این تحقیقات هنوز برای وارد کردن کریسپر به فاز کلینیکی به‌طور گسترده، کافی نیست. علاوه بر آن، پیشرفت سریع این روش ویرایش ژن این باعث ایجاد سوالاتی در اذهان عمومی شده است؛ اینکه حد و مرز اخلاق تا چه حد اجازه‌ی دست‌ورزی ژنتیکی موجودات زنده را به ما می دهد؟

در بخش بعدی به مشکلات و چالش های پیرامون استفاده از کریسپر می پردازیم.

منابع:

 / Nature doi:10.1038/532432a

Molecular Therapy – Nucleic Acids https://dx.doi.org/10.1016%2Fj.omtn.2017.04.001/

ارغوان فتاحی