CRISPR-Cas9 : وسیله ای جدید برای ویرایش ژن

CRISPR-Cas9 یک وسیله ی ویرایش ژن است که تحولی را در دنیای علم ایجاد خواهد کرد.

این وسیله، سریع‌تر، ارزان‌تر، مناسب‌تر و کاربردی‌تر از تکنیک‌های ویرایش ژن قبلی است و به‌صورت بالقوه، موارد استفاده و کاربرد‌های بسیاری دارد.

CRISPR-Cas9 یک تکنولوژی منحصربه‌فرد است که مهندسان ژنتیک و محققان دارویی را قادر می‌سازد تا بخش‌هایی از ژنوم را، از طریق حذف و اضافه و یا جایگزینی بخشی از DNA ، ویرایش کنند.

این روش در حال حاضر، آسان‌ترین، فراگیرترین و دقیق‌ترین راه دستکاری ژنی است و به همین دلیل، تحولی را در دنیای علم ایجاد کرده است.

چگونگی کارکرد این تکنیک

سیستم CRISPR-Cas9 از ۲ مولکول کلیدی که جهشی را در DNA القا می‌کند، تشکیل شده است:

1. آنزیمی به نام Cas9 که به عنوان یک قیچی مولکولی عمل می‌کند و می‌تواند ۲ رشته ی DNA را در محل مشخصی از ژنوم بِبُرد. در نتیجه ی این کار، بخشی از DNA را می‌توان حذف و یا بخشی را به آن افزود.
2. قطعه ای از RNA به نام guide RNAیا RNA راهنما که شامل توالی کوچکی از RNA از پیش طراحی شده( با طول حدود ۲۰ باز آلی) که داخل داربستی از RNA درازتر قرار دارد.

بخش داربستی به DNA وصل می‌شود و توالی از پیش طراحی شده، آنزیم Cas9 را به محل درست روی DNA راهنمایی می‌کند. این کار انجام می‌گیرد تا اطمینان حاصل شود که آنزیم Cas9 نقطه‌ای درست از DNA را خواهد برید.

RNA راهنما طراحی شده است تا توالی خاصی روی DNA را شناسایی کرده و به آن متصل شود. RNA راهنما از بازهای RNA ای تشکیل شده است که مکمل بازهای توالی DNA هدف از ژنوم هستند. این، بدین معنیست که حداقل در تئوری، RNA راهنما فقط به توالی DNA هدف و نه به هیچ جای دیگری وصل خواهد شد.
آنزیم Cas9، آر.اِن.اِی  راهنما را به طرف توالی DNA هدف دنبال کرده و هر دو رشته ی DNA را در آنجا می‌برد.
در این مرحله( پس از برش)، سلول تشخیص می‌دهد که DNA آسیب دیده و سعی می‌کند آنرا تعمیر کند.
دانشمندان می‌توانند از سیستم تعمیری سلول برای DNA استفاده کرده و تغییراتی را در یک یا چند ژن در ژنوم سلول موردنظر ایجاد کنند.

این روش چگونه کشف شد؟

برخی از باکتری‌ها یک سیستم ویرایش ژن داخلی و شبیه به CRISPR-Cas9 دارند که از آن برای مقابله و پاسخ دادن به پاتوژن‌های مهاجم، مثل ویروس‌ها، استفاده می‌کنند که شبیه به نوعی سیستم ایمنی است.
این باکتری‌ها با استفاده از CRISPR ، بخشی ازDNA ویروس را بریده و آنرا در داخل خود ذخیره نگه می‌دارند تا به آن‌ها در شناسایی و دفاع در برابر ویروس هنگام حمله ی دوباره ی آن، کمک کند.
دانشمندان این سیستم را به گونه ای تغییر داده‌اند که در سلول‌های جانوری دیگر مثل موش‌ها و انسان‌ها قابل استفاده باشد.

روش‌های دیگر دستکاری و ایجاد تغییر در ژن‌ها

در طی سالیان دراز، دانشمندان با مطالعه روی اثرات تغییر DNA ، درباره ی ژنتیک و عملکرد ژن‌ها اطلاعاتی را کسب کرده‌اند. اگر شما تغییری را در یک ژن ایجاد کنید، می‌توانید با مطالعه ی اثرات این تغییر، به عملکرد ژن موردنظر پی ببرید.
برای مدت‌های طولانی، دانشمندان ژنتیک از مواد شیمیایی یا پرتودهی برای ایجاد جهش یا موتاسیون ژنی استفاده می‌کردند. اما در این روش، آن‌ها هیچ کنترلی روی محلی از ژنوم که تغییر ایجاد می‌شد، نداشتند.
برای چند سال، دانشمندان از روش “هدف‌گیری ژنی” استفاده می‌کردند تا تغییراتی را در محل‌های مشخصی از ژنوم، با حذف یا اضافه کردن کل ژن و یا چند باز آلی، اعمال کنند.
روش “هدف‌گیری ژن” سنتی، برای مطالعه ی ژن‌ها و ژنتیک بسیار ارزشمند است؛ اما، با این روش مدت زمان زیادی طول می‌کشد تا یک جهش ایجاد کرد، علاوه بر این، این روش گران هم هست.
به تازگی چندین تکنولوژی دستکاری ژنی ایجاد شده‌اند تا روش‌های “هدف‌گیری ژن” را بهبود ببخشند؛ شامل:سیستم CRISPR-Cas9 ، نوکلئاز موثر بر شبه فعال‌کننده ی رونویسی (TALENs)، نوکلئاز‌های انگشت روی (ZFNs).
اکنون روش CRISPR-Cas9، سریع‌ترین، ارزان‌ترین و قابل اعتمادترین روش برای ویرایش ژن است.

کاربرد‌ها

روش CRISPR-Cas9 توانایی و پتانسیل زیادی برای درمان عارضه‌های پزشکی که دارای یک بخش ژنتیکی هستند، دارد؛ مثل سرطان، هپاتیت B و یا حتی کلسترول بالا.
بسیاری از کاربرد‌های یاد شده، شامل ویرایش ژن سلول‌های سوماتیک( غیر زایا ) هستند، اما بحث و علاقه ی زیادی درباره ی پتانسیل ویرایش سلول‌های جنسی(زایا) وجود داشته است.
چون هر تغییری در سلول‌های زایا ایجاد شود، از نسلی به نسل بعد منتقل خواهد شد، ایجاد تغییر در این سلول‌ها تعارضات اخلاقی مهمی خواهد داشت.
در حال حاضر، استفاده از ویرایش ژن در سلول‌های زایا( germline ) در انگلستان و بسیاری از کشور‌های دیگر ممنوع است.
در مقابل، استفاده از CRISPR-Cas9 و سایر روش‌های ویرایش ژن در سلول‌های سوماتیک، دیگر بحث برانگیز نیست. در واقع این روش‌ها برای درمان تعدادی از بیماری‌های استثنایی انسانی و یا بیماری‌هایی که خطر مرگ داشته‌اند، استفاده شده‌اند.

آینده ی CRISPR-Cas9 چه خواهد بود؟

تا استفاده از روش CRISPR-Cas9 به صورت معمول و روتین برای درمان انسان‌ها، هنوز سال‎‌های زیادی فاصله داریم.
در حال حاضر تحقیقات زیادی روی کاربرد این روش‌ها در مدل‌های حیوانی یا سلول‌های انسانی ایزوله شده، تمرکز کرده‌اند، با هدف اینکه در نهایت این تکنولوژی در انسان‎‌ها و به صورت گسترده برای درمان بیماری‌ها مورد استفاده قرار گیرد.
تحقیقات و تلاش‌های زیادی روی این موضوع تمرکز کرده‌اند که اثرات ” غیر از هدف” را حذف کنند، یعنی اثراتی که در آنها CRISPR-Cas9 ژنی متفاوت از ژن مورد نظر را می‌برد.

نشانه‌گیری بهتر CRISPR

در اغلب موارد RNA راهنما، از یک توالیِ مشخصِ حاوی ۲۰ باز آلی تشکیل شده است. این بازها، مکمل بازهای توالی هدف در ژنی هستند که قرار است دست‌کاری شود. اما، همه ی این ۲۰ باز آلی برای چسبیدن RNA به DNA مورد نیاز نیستند. مشکل این موضوع این است که ممکن است یک توالی از ژن، مثلا با ۱۹ باز آلی مکمل RNA راهنما، در هر جایی متفاوت از محل ژن مورد نظر، وجود داشته باشد. بدین معنی که RNA راهنما پتانسیل این را دارد که به جای توالی اصلی مورد نظر و یا همراه با آن، به این توالی با ۱۹ باز مکمل هم متصل شود.
اگر RNA راهنما در محلی اشتباه به DNA وصل شود، آنزیم Cas9 در محلی اشتباه DNA را خواهد برید که در نتیجه ی آن، موتاسیون و جهش ژنی در محل اشتباهی رخ خواهند داد.
با وجود اینکه این جهش یا موتاسیون ژنی ممکن است هیچ تاثیری روی فرد نداشته باشند، با این حال ممکن است یک ژن حیاتی یا بخش مهم دیگری از ژنوم تحت تاثیر قرار گیرد.
دانشمندان مشتاقند راهی را پیدا کنند تا مطمئن شوند که CRISPR-Cas9 به محل مناسب از DNA چسبیده و برش را انجام دهد. دو راه برای دستیابی به این هدف عبارتند از:

• طراحی RNAهای راهنمای بهتر و اختصاصی‌تر با استفاده از دانشی که درباره ی توالی DNA ژنوم و تاثیر “غیر از هدف” کمپلکس آنزیم- RNA های مختلف داریم.
• استفاده از انزیم Cas9 ای که فقط یکی از رشته‌های DNA هدف را به جای دو رشته آن می‌برد؛ یعنی دو آنزیم Cas9 و دو RNA راهنما باید در محل باشند تا برش صورت گیرد. این روش احتمال برش در محل اشتباه را کاهش می‌دهد.