CRISPR و انقلابی که در زمینه‌ی اکتشاف داروها می‌آفریند

تکنیک ویرایش ژن CRISPR–Cas که زمانی محرمانه تلقی می‌شد، به سرعت در حال یافتن جایگاه خود در عرصه‌ی تحقیقات است. بیش‌تر افراد علاقمند به علم لااقل نام آن را شنیده‌اند. تکنیکی که با ترکیبی از مولکول‌های RNA رهبر که به صورت مصنوعی ساخته شده‌اند و یک آنزیم (اغلب Cas9) با منشأ سیستم ایمنی باکتریایی، با سهولت و دقتی بی‌سابقه DNA را ویرایش می‌کند. در واقع ابزاری است منعطف با کارآیی‌های متعدد. بیش‌تر توجه رسانه‌ای به سیستم CRISPR–Cas، به خاطر قابلیت آن در درمان بیماری‌های ژنتیکی بوده است؛ با این حال، CRISPR–Cas می‌تواند نقش بزرگی در زمینه‌‌ی اکتشاف داروها داشته باشد. نقشی که اگر پررنگ‌تر از کارآیی درمانی آن نباشد، بی‌شک کم‌رنگ‌تر نیست!

دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، اعم از Jennifer Doudna که در اکتشاف تکنیک همکاری داشته است، طی مطالعه‌ و مرور جامعی که در سال 2017 داشتند، مقتدرانه اعلام کردند این نوع ویرایش ژن برای ورود به عرصه‌ی اکتشاف داروها و زمینه‌سازی برای پیشرفت در این عرصه، آمادگی کامل دارد.


مقاله‌ی مرتبط: نُه دست‌آورد شگفت‌انگیز CRISPR در سال ۲۰۱۷


Christof Fellmann، بیوتکنولوژیست و یکی از نویسندگان مطالعه، توضیح می‌دهد که توانایی CRISPR–Cas در کمک به شناسایی مولکول‌های هدف، تأثیر قابل توجهی بر اکتشاف داروها خواهد داشت. با استفاده از قابلیت فعال‌سازی یا مهار ژن‌ها به طور خودخواسته در این سیستم، محققان می‌توانند ژن‌ها و پروتئین‌های عامل بیماری یا پیش‌گیری‌کننده از آن را شناسایی کرده و متعاقب آن، هدف داروهای بالقوه را تعیین کنند. CRISPR–Cas هم‌چنین ایجاد مدل‌های سلولی یا کامل حیوانی را آسان‌تر می‌کند؛ با استفاده از این مدل‌ها می‌توان بیماری‌ها را به طور دقیق شبیه‌سازی کرد. این امر به دانشمندان امکان می‌دهد با دقت بالا اثرگذاری و ایمنی داروها را تأیید کنند. در واقع مدل‌های مذکور، بهترین گزینه برای پیش‌بینی نتیجه‌ی داروها در کارآزمایی‌های بالینی می‌باشند. با دنبال کردن این کارآیی‌ها، قابلیت‌‌های CRISPR–Cas نیز توسعه یافته و به ابزار ویرایش ژن قدرتمندتری تبدیل خواهد شد.

این تکنیک همه‌چیز را آسان‌تر می‌کند. هدف‌هایی که ما برای CRISPR–Cas9 شناسایی می‌کنیم، هدایت داروهای دهه‌ی 2020 را بر عهده خواهند داشت. اگر این گونه نباشد، من به دردسر می‌افتم!

Jon Moore، سرپرست علمی کمپانی بیوتکنولوژی Horizon Discovery در Waterbeach، انگلستان

ابزاری بی‌رقیب

مکانیسم ویرایش ژنی CRISPR–Cas نسبتاً ساده است. رشته‌ی کوتاهی از RNA که جهت هدف‌گیری قطعه‌ی خاصی از DNA ایجاد شده، به آنزیمی با قابلیت برش DNA دو رشته متصل می‌شود. Cas9، آنزیمی که Moore به آن اشاره می‌کند، پراستفاده‌ترین آنزیم در این زمینه است؛ اما آنزیم‌های دیگر نیز در حال بررسی می‌باشند. پس از ورود RNA و آنزیم به هسته‌ی سلول، RNA به قطعه‌ی DNA مکمل خود متصل شده و به عنوان راهنما برای آنزیم عمل می‌کند. آنزیم در ادامه DNA را برش می‌زند. پس از ایجاد برش اصلی، آنزیم‌های ترمیم کننده‌ی DNA موجود در سلول، برش را به منظور از کار انداختن یا تغییر ژن هدف تثبیت می‌کنند. این امر می‌تواند موجب کاهش یا افزایش فعالیت ژن، جهش در ساختار یا معکوس شدن قطعه‌ای از آن شود.

سهولت استفاده از RNA‌های راهنما جهت هدف‌گیری موقعیت دلخواه از ژنوم، امکان انجام فرآیند ویرایش ژن را برای بسیاری از محققان فراهم ساخته است. به گفته‌ی Moore، این تکنیک ویرایش ژن را از انحصار متخصصان بیولوژی مولکولی خارج کرده است. پژوهشگران حوزه‌ی اکتشافات دارویی مشتاق به کارگیری CRISPR–Cas هستند تا با خاموش کردن انتخابی ژن‌ها (knockout) بتوانند عملکرد آن‌ها را توضیح دهند.


مقاله‌ی مرتبط: تماشا کنید: این بار ویرایش ژنی CRISPR را با چشم خودتان ببینید


روش‌‌های ایجاد جهش‌های knock-out از سال 2000 مورد استقاده قرار گرفته است؛ اما طی روش‌های قدیمی‌تر که بر پایه‌ی آنزیم‌های مهندسی‌شده جهت برش DNA می‌باشند، اغلب knock-out تنها در ارتباط با بخشی از ژن انجام شده و موجب اثرات ناخواسته می‌گردد. نتیجه آن که در مطالعات مشابه، نتایج متناقض حاصل می‌شود. CRISPR–Cas این نقص‌ها را نداشته و به سبب همین امتیاز در سال 2012، به عنوان بهترین گزینه جهت خاموش‌سازی انتخابی ژن‌ها معرفی شده است. به گفته‌ی Moore، تفاوت در کیفیت اطلاعات به دست آمده است. CRISPR–Cas در فرآیند knock-out ژن هدف، بهتر و کامل‌تر عمل کرده و از اثرات ناخواسته جلوگیری می‌کند. همین موجب شده آزمایش‌هایی که در مقیاس وسیع در ارتباط با عملکرد ژن‌ها صورت می‌گیرند، قابل اعتمادتر باشند.

غربالگری ژن‌ها به روش Knock-out به منظور شناسایی ژن‌های دخیل در مقاومت دارویی، به سرعت در حال تبدیل شدن به یکی از کاربردهای گسترده‌ی  CRISPR–Cas در زمینه‌ی اکتشافات دارویی است. محققان تعداد بسیاری سلول را در مواجهه با انبوهی از سیستم‌های CRISPR–Cas حامل RNA راهنما قرار داده و بدین ترتیب، ژن‌های متعددی را مورد هدف قرار می‌دهند. این امر به آنان امکان می‌دهد سلول‌هایی ایجاد و انتخاب کنند که در هریک، ژن خاصی تحت خاموش‌سازی انتخابی قرار گرفته است. سپس سلول‌ها با مواد شیمیایی یا داروهای دلخواه مواجه می‌شوند. در نتیجه ژن‌هایی که موجب مقاومت به داروهای مذکور می‌شوند از طریق سلول‌های حساس به آن‌ها پس از ویرایش CRISPR–Cas، شناسایی می‌گردند. در گام بعدی، این ژن‌ها یا پروتئین‌هایی که کد می‌کنند با داروهای دیگری مورد هدف قرار می‌گیرند تا مسئله‌ی مقاومت دارویی حل شود.

شناسایی ژن‌های عامل بیماری نیز اهداف آشکاری در زمینه‌ی پیشرفت دارویی فراهم می‌کند. ساده‌ترین داروهای انتخابی به جای اثرگذاری مستقیم بر خود ژن، به پروتئین‌های حاصل از این ژن‌ها متصل گشته و در عملکردشان اختلال ایجاد می‌کنند. اما با فهم بهتر اهمیت ژن‌ها و پروتئین‌های چندگانه، مداخلات و اثرات تنظیمی متقابل آن‌ها، اهداف زیرکانه‌تری می‌توان برای داروها در نظر گرفت. بسیاری از بیماری‌ها درنتیجه‌ی ناهماهنگی در یک مسیر تنظیمی ایجاد می‌شوند. این مسیرها خود شبکه‌ی پیچیده‌ای از واکنش‌های داخل سلولی هستند. استفاده از CRISPR–Cas برای شناسایی دقیق و آسان مجموعه ژن‌های دخیل در این شبکه‌ها، می‌تواند راهکار درمانی ماهرانه‌ای بیافریند.


مقاله‌ی مرتبط: کاهش سرعت انتشار سلول‌های سرطانی با استفاده از تکنیک CRISPR


محققان هم‌چنین از CRISPR–Cas و فرآیندهای ترمیم DNA سلول برای وارد کردن یا ‘knock in’ قسمت‌های منتخب DNA استفاده می‌کنند. این مورد می‌تواند جهش‌هایی را که موجب تغییر پروتئین کدشونده توسط ژن هدف می‌شوند، شناسایی کند. بر این اساس می‌توان داروهایی را جهت ایجاد تغییرات مذکور طراحی کرد.

برخی واریانت‌های سیستم‌های CRISPR–Cas می‌توانند موجب مهار یا افزایش فعالیت ژن بدون تغییر عملکرد اصلی آن شوند. تنظیم کاهشی یا افزایشی ژن‌ها روش خوبی برای ارزیابی اهمیت ژن‌ها و پروتئین‌هایی است که می‌توان جهت درمان بیماری، آن‌ها را با دارو فعال یا مهار کرد.

به ادعای Fellmann، تکنیک CRISPR–Cas امکان دستکاری ژنتیکی تقریباً نامحدودی را برای بشر فراهم کرده و مؤفقیت بیش‌تری را برای محققان به ارمغان می‌آورد. به گفته‌ی Moore، اهداف جالب جدیدی برای تکنولوژی CRISPR–Cas یافته شده است. او مولکول‌های هدف را صریحاً بیان نخواهد کرد اما اذعان دارد مطالعات کمپانی‌اش شامل جهش‌های تومورساپرسور‌ها و انکوژن‌هایی است که تاکنون مورد هدف دارویی نبوده‌اند.