پزشکان گیل

ویرایش ژنتیک، سلاح جدید مبارزه با بیماری‌ها

دکتر محمدحسن هدایتی اُمامی

CRISPR-Cas9، به‌عنوان ابزاری تازه برای ویرایش ژنوم، در دنیای دانش غوغایی به‌پا کرده است.* این روش در مقایسه با تکنیک‌های قبلی ویرایش ژنوم سریع‌تر، ارزان‌تر و البته دقیق‌تر است؛ علاوه بر آن، کاربردهای بسیار گسترده‌تری هم دارد.
فوت و فن منحصر به‌فردی است که با آن ژنتیک‌دانان و پژوهشگران پزشکی می‌توانند بخش دلخواهی از ژنوم را ویرایش کنند؛ توالی DNA مورد نظر خود را بردارند، توالی تازه‌ای به آن اضافه کنند یا تغییرش بدهند.
CRISPR-Cas9 در حال حاضر ساده‌ترین، پرکاربردترین و دقیق‌ترین روش دستکاری ژنتیکی است.

CRISPR-Cas9 چگونه کار می‌کند؟
دستگاه CRISPR-Cas9 دارای دو ملکول کلیدی است که با آن‌ها تغییری (در واقع جهشی؟) در DNA وارد می‌کند:
اولی آنزیمی است که Cas9 نامیده می‌شود. این آنزیم در واقع یک «قیچی ملکولی» است که جایگاه ویژه‌ای از هر دو رشته DNA را می‌بُرد؛ به‌نحوی که از همان‌جای رشته DNA می‌توان «قطعه» دلخواه را برداشت یا در همان‌جا «قطعه» دلخواه دیگری را گذاشت.
دومی قطعه‌ای RNA است به نام RNA راهنما (Guiding RNA = gRNA). این دومی قطعه کوچکی است از RNA که دانشمندان از روی نیاز خود آن را در آزمایشگاه می‌سازند. gRNA شامل حدود ۲۰ باز نوکلئوتیدی است که در رشته RNA درازتری که نقش تکیه‌گاه آن را دارد، جاسازی شده است. این رشته درازتر به DNA می‌چسبد و آن gRNA، آنزیم Cas9 را راهنمایی می‌کند که تیغه‌های قیچی اش را کجا بگذارد و ببُرد. بدین ترتیب دانشمندان مطمئن می‌شوند که این آنزیم، درست جای درست را می‌بُرد.
RNA راهنما را طوری می‌سازند که توالی مورد نظر را در زنجیره DNA پیدا کند و به آن بچسبد. بازهای نوکلئوتیدی RNA راهنما، «مکمل» بازهای نوکلئوتیدی توالی DNA مورد نظر در ژن مربوطه است. یعنی لااقل در تئوری، RNA راهنما تنها و تنها به توالی مورد نظر می‌چسبد و میلی به جایگاه‌های دیگر ژنوم ندارد. آنزیم Cas9 به‌دنبال RNA راهنما به همان جایگاه توالی DNA می‌رود و هر دو زنجیره DNA را در همان‌جا می‌بُرد. در این زمان یاخته متوجه می‌شود که DNA آن آسیب دیده است و تلاش می‌کند خرابی را تعمیر کند. دانشمندان از این فرایند تعمیر استفاده می‌کنند تا در ژنوم یاخته مورد نظر، تغییراتی در یک یا چند ژن وارد کنند؛ توجه کنید در یک یا چند ژن آن هم همزمان با هم. در روش‌های قبلی تنها می‌توانستند یک ژن را تغییر بدهند و مطمئن هم نبودند که تغییر ایجاد شده است یا نه و تنها پس از جفت‌گیری حیوان، تولد توله‌ها و آزمایش روی آن‌ها متوجه می‌شدند موفق شده‌اند یا نه. با این روش CRISPR-Cas9 مطمئن‌اند که تغییر را در خود حیوان ایجاد کرده‌اند و برحسب چگونگی وراثت ژن مربوطه، لااقل چند تا از توله‌ها دارای آن ژن مورد نظر هستند.

چگونه این ابزار را ساختند؟
دانشمندان سال‌ها قبل کشف کردند باکتری‌ها برای مبارزه با پاتوژن‌های مهاجمی همچون ویروس‌ها، دارای دستگاه ویرایش ژنی مشابه CRISPR-Cas9 هستند که در واقع یکی از جنبه‌های دستگاه ایمنی آن‌هاست. باکتری‌ها با استفاده از CRISPR، بخشی از DNA ویروس را جدا می‌کنند و در درون خود نگه می‌دارند تا بار دیگر که ویروس به آن‌ها حمله کرد، آن را بشناسند و با آن مقابله کنند. دانشمندان توانستند تغییراتی در این دستگاه بدهند که قابل استفاده در یاخته‌های جانوری از جمله موش و انسان باشد.

آیا برای تغییر دادن ژن‌ها، فوت و فن‌های دیگری هم وجود دارد؟
سال‌هاست که دانشمندان با تغییر دادن DNA، چیزهای زیادی در باره ژنتیک و کار ژن‌ها آموخته‌اند. اگر خواه در یک رده یاخته یا در کل موجود زنده، در یک ژن تغییری (جهشی) ایجاد بکنید، می‌توانید اثر این تغییر را ببینید و از روی آن به کار آن ژن پی ببرید. سال‌هاست که ژنتیک‌دانان از مواد شیمیایی یا تابش پرتوها، جهش ایجاد می‌کردند و البته نمی‌توانستند همه‌چیز را در کنترل داشته باشند، لذا نمی‌دانستند که در این یا آن آزمایش، کدام ژنوم دچار جهش می‌شود. چند سالی است که دانشمندان می‌توانند ژن را هدف بگیرند و با برداشتن یا افزودن کل یک ژن، یا تنها یک باز نوکلئوتیدی آن، جایگاه خاصی در ژنوم را تغییر بدهند. تا کنون «هدف‌گیری مرسوم ژن» برای مطالعه ژن‌ها و ژنیتیک بسیار باارزش بوده است، لیکن هم فوت و فنی است وقت‌گیر و هم نسبتاً پرهزینه. اخیراً چند فوت و فن «ویرایش ژن» ابداع شده که با آن‌ها می‌توان ژن‌ها را بهتر هدف‌گیری کرد؛ یکی همین دستگاه CRISPR-Cas9 است، یکی TALENs و یکی دیگر ZFNs. در حال حاضر در بین این‌ها، دستگاه CRISPR-Cas9 سریع‌ترین، ارزان‌ترین و قابل اعتمادترین دستگاه ویرایش ژن است.

چه کاربردهایی دارد و چه گرفتاری‌هایی؟
CRISPR-Cas9 در درمان دامنه گسترده‌ای از بیماری‌ها، از سرطان‌ها تا هپاتیت B تا حتی زیادی کلسترول که ژن‌ها به‌نحوی در ایجاد و سیر آن‌ها نقش دارند، ابزاری بالقوه پرتوان است.
بسیاری از کاربردهای احتمالی آن، ویرایش ژنوم یاخته‌های سوماتیک است. دانشمندان علاقه‌مند به (و البته نگران از) استفاده از آن در یاخته‌های ژرمینال (تولید مثل) هستند. چون هر تغییری در یاخته‌های تولید مثل، از نسلی به نسل دیگر منتقل می‌شود، گرفتاری‌های اخلاقی پراهمیتی هم پیش می‌آورد. به‌همین دلیل در چندین کشور، ویرایش ژن‌ها در یاخته‌های ژرمینال ممنوع است. در استفاده از CRISPR-Cas9 و سایر فوت و فن‌های ویرایش ژن در یاخته‌های سوماتیک تردیدی وجود ندارد. امروزه از آن برای درمان تعدادی از بیماری‌های استثنایی و/ یا کشنده استفاده شده است.

آینده CRISPR-Cas9 چه خواهد بود؟
سال‌ها باید بگذرد تا CRISPR-Cas9 جا بیافتد و به‌طور روتین در درمان بیماری‌های انسان مورد استفاده قرار بگیرد. هنوز در مدل‌های حیوانی بیماری‌های انسان یا یاخته‌های مجزای انسان مشغول تحقیق هستند تا بالاخره آن را به‌صورت ابزاری دربیاورند که به‌طور روتین در درمان بیماری‌های انسان قابل استفاده باشد. هنوز مشغول کارند تا هدف‌گیری را بهتر کنند تا CRISPR-Cas9 ژن یا ژن‌های دیگر را قیچی نکند.

هدف‌گیری بهتر CRISPR-Cas9
در بسیاری از موارد RNA راهنما دارای توالی ویژه‌ای از ۲۰ باز نوکلئوتیدی است. این بازها با توالی ویژه خود، مکمل توالی ژن مورد نظر است؛ همان ژنی که قرار است ویرایش شود. ولی مشکل این‌جاست که برای چسبیدن این دو، ژن مورد نظر و RNA راهنمای ویژه، لازم نیست که هر ۲۰ باز نوکلئوتیدی با هم جور دربیایند. می‌توان تصور کرد که در جایی کاملاً متفاوت از ژنوم، ۱۹ تا از ۲۰ باز مکمل وجود داشته باشد و RNA راهنمای ما تنها به آن، یا هم به آن و هم به ژن مورد نظر ما بچسبد. ناگزیر آنزیم Cas9 جایگاه نادرستی را قیچی می‌کند و جهشی در جای نادرست به‌وجود می‌آورد. این جهش ممکن است هیچ اهمیتی برای موجود مورد آزمایش نداشته باشد یا برعکس ژن حیاتی یا بخش پراهمیتی از ژنوم او را فرابگیرد. دانشمندان مسوولانه در پی آن هستند که راهی بیابند تا مطمئن شوند که CRISPR-Cas9 درست و دقیق می‌چسبد و قیچی می‌کند. برای رسیدن به این هدف، دو مسیر را دنبال می‌کنند:
اول طراحی RNA راهنمای بهتر و اختصاصی‌تر با استفاده از اطلاعاتی که از توالی ژنوم به‌دست آورده‌ایم و ساختن نسخه‌های متعدد و متفاوت کمپلکس Cas9-gRNA و انتخاب همانی که هدف‌گیری درست و دقیق دارد.
دوم استفاده از آنزیم Cas9یی که به‌جای دو رشته، تنها یک رشته از DNA مورد نظر را ببُرد. بدین ترتیب برای رسیدن به مقصود، وجود دو RNA راهنما و دو آنزیم Cas9 لازم می‌شود. لذا احتمال آن که جایگاه نادرستی قیچی شود، کاهش می‌یابد.

CRISPR: Clustered regularly interspaced short palindromic repeats *
Cas9: CRISPR-associated protein-9 nuclease

دکتر محمدحسن هدایتی اُمامی
متخصص داخلی- غدد
دانشیار دانشگاه علوم پزشکی گیلان
نشانی: رشت، گلسار، بلوار سمیه، ساختمان پارس کلینیک، تلفن: ۳۳۱۱۱۲۲۸

Email: hedayati1947@yahoo.com