سیستم جلوگیری از جهش کریسپر می‌تواند به پیشگیری از بیماری‌ها در آینده کمک کند

یک تیم تحقیقاتی بنام Wyss یک سیستم پیشگیری از جهش های مبتنی بر CRISPR / Cas9 را طراحی کرده اند که قادر به تشخیص تک متغیرهای نوکلئوتیدی  در کد DNA می باشد و  به راحتی جهش های مرتبط با بیماری جدید را حذف می کند. 

بسیاری از بیماریهای تهدید کننده حیات به این علت ایجاد یا تشدید می شوند که فقط یک تغییر واحد تک نوکلئوتیدی در کد  همگانی ژنتیک DNA ایجاد می شود. چنین «جهش نقطه ای» می تواند یک تک سلول در بدن انسان را به یک سلول سرطانی مبدل کند که به صورت یک تومور رشد کند یا می تواند باکتری های حساس به آنتی بیوتیک ها را به باکتری های مقاوم در برابر آنتی بیوتیک تبدیل کند، که باعث عفونت های غیر قابل درمان می شوند. در دنیای ایدئال، پزشکان می توانند سلول هایی با چنین جهش های زیان آوری را درست پس از ایجاد آنها حذف کنند تا مبارزه با بیماری ها بسیار موثر تر شود.

یک تیم تحقیقاتی در موسسه Wyss  مهندسی زیست شناسی، در حال حاضر در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم (PNAS) گزارش می کند که اولین گام برای رسیدن به این هدف با تبدیل سیستم مهندسی ژنوم CRISPR / Cas9 به یک ابزار نظارت ژنی انجام شده است. محققان به رهبری جورج چرچ و جیمز کالینز، اعضای هیات علمی دانشکده Wyss، یک روش پیشگیری از جهش در بدن موجود زنده ایجاد کرده اند که آنزیم Cas9، شکننده ی DNA را قادر می سازد بین مناطق هدف ژنومی متفاوت که به وسیله ی یک  تک نوکلئوتید ایجاد شده تمییز قائل شود و  و  منحصرا آن مورد ناخواسته را قطع کند.

در اثبات- مطالعات مفهومی- که در باکتری نژاد اشرشیا کولی E.coli کشت شده در محیط  کشت یا دستگاه گوارش موش انجام شده، این روش می تواند مانع از زنده ماندن انواع  باکتریهای مقاوم در برابر آنتی بیوتیک شود.

آنزیم Cas9 به توالی هدف ژنومی آن به وسیله ی یک RNA راهنمای کوچک با توالی مکمل هدایت می شود. هنگامی که به موقعیت ژن مورد نظر اورده شد، Cas9 مانند یک جفت قیچی مولکولی عمل می کند و توالی هدف را در منطقه ی مشخص شده قطع می کند. اگر بازسازی شود، این آسیب عمدی معرفی شده به زیست شناسان اجازه می دهد تا ژنوم سلول ها را ویرایش کنند، اما اگر بدون اصلاح رها شود، باعث مرگ سلول ها خواهد شد. با این حال، علیرغم اثربخشی سیستم در یافتن و برش توالی های هدف در ژنوم بسیاری از ارگانیسم ها، فعالیت نامشخصی که به Cas9 اجازه می دهد طور تصادفی مناطق غیر منطبق را برای دومین مرتبه قطع کند، همچنان مهندسان ژنتیک را با مشکل مواجه کرده است. این نیز بدان معنی است که توالی هدفی که جهش نقطه ای  ژنی ناخواسته را حمل می کند اغلب نمی تواند به قدر کفایت توسط Cas9 از همتای عادی خود تمییز داده شود  و به صورت انتخابی حذف شود.. حتی آنزیم های طراحی شده ی Cas9 که به طور خاص طراحی شده اند، تا به حال نتوانسته اند به طور کامل این مشکل را حل کنند.

در عوض تمرکز بر روی ویژگی های RNA راهنما، رویکرد ما به طور چشمگیری ویژگی خاص Cas9 را به سطحی افزایش می دهد که تک نوکلئوتید چند شکلی می تواند به روشنی متمایز شود و انواع ژنتیکی ناخواسته پاک شوند 

مقاله‌ی مرتبط: کشف کریسپر؛ هدایت تکامل!

پروفسورجورج چرچ.، که همچنین استاد ژنتیک در دانشکده پزشکی هاروارد (HMS) و علوم سلامت و فناوری در دانشگاه هاروارد و موسسه فناوری ماساچوست (MIT) است این موضوع را اعلام کرد.

روش ما راه تازه ای برای تفکر در مورد پیشگیری از بیماری ها در آینده به وجود می آورد.

مطالعات قبلی به صورت متناقض نشان داده است که عدم همخوانی خاص بین RNA راهنما و توالی هدف آن، توانایی Cas9 برای قطع کردن یک محل خاص در DNA را تحت تاثیر قرار نمی دهد. “ما فرض کردیم که برای یک جفت هدف که در یک جهش تک نقطه ای تفاوت دارد، مجموعه ای از عدم هماهنگی در RNA راهنمای می تواند شناسایی شود که فعالیت Cas9 را در توالی عادی حذف می کند و در عین حال فعالیت قوی را بر روی آن دیگری که  جهش نقطه ای زیان آور دارد حفظ می کند. دکتر الهاندرو چاوز، یکی از نویسندگان اول و کمک مکاتبه گر در این تحقیق، که به عنوان یک همکار فوق دکترای وابسته به HMS همکاری داشته است و عضو کمک آموزشی چرچ و کالینز و هم اکنون استادیار دانشگاه کلمبیا است ،گفت:

این، سلولی را که جهش خاموش دارد. درست پس از تولد، در مسیر خود متوقف می کند.

برای توسعه رویکرد خود، تیم با استفاده از جهش های نقطه ای شناخته شده ای که در آنزیم های باکتریایی رخ می دهد، پاتوژن هایی مقاوم به آنتی بیوتیک ها ایجاد کرد. با تمرکز بر چندین نوع از این جهش ها و غربالگری از طریق RNA های راهنمای مختلف با ترکیب های مختلف عدم انطباق، آنها قادر به شناسایی RNA هدایت کننده خاصی شدند که فعالیت Cas9 را نسبت به توالی ژن های جهش یافته تحریک می کردند، اما همتایان طبیعی را دست نخورده باقی می گذاشتند.

سیستم پیشگیری از جهش است که حساسیت به آنتی بیوتیک را حفظ می کند، نه تنها در نژاد E. coli های کشت شده در شرایط آزمایشگاهی استاندارد حتی بلکه در باکتری هایی که برای ایجاد کلونی دستگاه گوارش موشها استفاده کردیم. این آزمایش  موش های چند روزه که شامل تحمل دوز ثابتی از  آنتی بیوتیک بود، نشان داد که سیستم نیرومند است حتی اگر هم تحت کنترل فشارهای محیطی بالقوه ی قابل توجهی درآمده باشد. بنجامین پرویت، یکی از متخصصان پژوهشی پیشین در انستیتو Wyss، که در حال حاضر سرپرست مهندسی تحقیق و توسعه در شرکت ریدکور است این موضوع را اعلام کرد.

محققان معتقدند که علاوه بر پتانسیل آن برای پیشگیری از بیماریهای آینده، سیستم پیشگیری از جهش آنها می تواند بلافاصله برای کمک به صنعت بیوتکنولوژی در حفاظت مقیاسهای بزرگ از رسیدن به جهش هایی که باعث بی حاصل شدن یا مستعد ابتلا به آلودگی بودن، و  یا مطالعات تکامل میکربی، مورد استفاده قرار گیرد.

مقاله‌ی مرتبط: کریسپر باز هم خودنمایی می‌کند؛ این بار خبرچین داخل سلولی

“این استراتژی فرصتی برای مطالعه مکانیسم های تکاملی در میکروارگانیسم ها را فراهم می کند. به عنوان مثال، ما اکنون قادر به پیشگیری از جهش هایی که به آنتی بیوتیک ها مقاومت می بخشد هستیم و می توانیم سوال کنیم که کدام تغییرات ژنتیکی می تواند منجر به همان نتیجه یکسان می شود. جیمز کالینز، که استاد علوم و مهندسی پزشکی در موسسه فناوری ماساچوست (MIT) و استاد مهندسی زیست شناسی در MIT است این مطلب را گفت.

دونالد اینگبر، مدیر موسسه Wyss ، که همچنین استاد موسسه یودا فولکمن، زیست شناسی عروق در HMS و برنامه ریزی زیست شناسی عروق در بیمارستان کودکان بوستون، و همچنین استاد مهندسی پزشکی در دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه هاروارد جان ا. پلسون است گفت:

این تلاش مشترک در انستیتو Wyss به نوآوری کاملا جدیدی در زمینه CRISPR / Cas9 منجر شده است، که خود می تواند منجر به راه های کاملا بدیع برای جلوگیری و درمان طیف وسیعی از بیماری ها شود.