پژوهشگران Harvard Medical School، Boston Children’s Hospital و Dana-Farber Cancer Institute روش جدیدی از مهندسی ژنوم به نام Prime Assembly معرفی کرده‌اند که امکان وارد کردن و مونتاژ هدفمند قطعات متوسط تا بزرگ DNA را در جایگاه‌های مشخص ژنوم فراهم می‌کند. این فناوری می‌تواند در آینده راه را برای توسعه درمان‌هایی باز کند که به‌جای طراحی یک ویرایش جداگانه برای هر جهش، با جایگزینی یک بخش بزرگ‌تر از ژن، طیف وسیعی از جهش‌های بیماری‌زا را پوشش دهند. نتایج این مطالعه در ۱۶ سپتامبر ۲۰۲۶ در مجله Nature منتشر شد.

چرا به روش جدیدی برای ویرایش ژن نیاز داریم؟

فناوری‌های ویرایش ژن طی سال‌های اخیر امکان اصلاح دقیق بسیاری از تغییرات ژنتیکی را فراهم کرده‌اند، اما همچنان محدودیت‌هایی وجود دارد.بسیاری از بیماری‌های ژنتیکی تنها ناشی از یک جهش مشخص نیستند و ممکن است صدها واریانت بیماری‌زا در بخش‌های مختلف یک ژن گزارش شده باشد. در چنین شرایطی، توسعه یک ویرایش اختصاصی برای هر جهش می‌تواند فرایندی پیچیده و زمان‌بر باشد. به همین دلیل، یکی از اهداف مهم مهندسی ژنوم توسعه روش‌هایی است که بتوانند به‌جای اصلاح تک‌تک جهش‌ها، یک قطعه بزرگ‌تر از توالی ژن را با نسخه سالم آن جایگزین کنند.Prime Assembly برای پاسخ به همین نیاز توسعه یافته است.

Prime Assembly چیست؟

Prime Assembly یا PA فناوری جدیدی است که بر پایه اصول prime editing ساخته شده است. Prime editing می‌تواند بدون ایجاد شکست کامل دو رشته DNA، تغییرات دقیقی مانند جایگزینی بازها و برخیinsertion و deletionها را ایجاد کند. با این حال، یکی از محدودیت‌های آن، اندازه تغییرات قابل ایجاد در ژنوم بوده است. در Prime Assembly، پژوهشگران از CRISPR-targeted dual flap synthesis استفاده می‌کنند. سیستم در دو رشته DNA، flapهای برنامه‌ریزی‌شده‌ای ایجاد می‌کند که می‌توانند با قطعات DNA جدید دارای توالی‌های مکمل اتصال پیدا کنند.سپس مسیرهای طبیعی ترمیم DNA سلول، قطعات جدید را در محل تعیین‌شده مونتاژ و وارد ژنوم می‌کنند. به این ترتیب، موقعیت شروع و پایان جایگزینی DNA را می‌توان به‌صورت برنامه‌ریزی‌شده تعیین کرد.

امکان وارد کردن قطعات بزرگ‌تر DNA

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های Prime Assembly توانایی ایجاد تغییراتی است که فراتر از ویرایش چند نوکلئوتید هستند. پژوهشگران با استفاده از این فناوری توانستند: بازنویسی اگزون‌ها (exon recoding)، وارد کردنtransgeneها در جایگاه‌های مشخص ژنوم و ایجاد rearrangementهای ژنومی در مقیاس مگاباز را انجام دهند. در آزمایش‌های گزارش‌شده، امکانtargeted integration قطعاتی تا حدود 12.1 kb نیز نشان داده شد. این قابلیت می‌تواند برای وارد کردن نسخه عملکردی یک ژن یا جایگزینی نواحی حاوی تعداد زیادی جهش بیماری‌زا اهمیت داشته باشد.

اصلاح چند جهش با یک روش» دقیقاً به چه معناست؟

عنوان خبری Harvard Medical School به توانایی Prime Assembly در اصلاح چندین جهش اشاره می‌کند، اما این عبارت به این معنا نیست که سیستم لزوماً چند جهش پراکنده در نقاط مختلف ژنوم را به‌صورت مستقل و همزمان اصلاح می‌کند. ایده اصلی این است که اگر تعداد زیادی جهش بیماری‌زا در یک بخش مشخص از یک ژن قرار داشته باشند، می‌توان کل آن بخش را با یک توالی سالم بازنویسی یا جایگزین کرد.در نتیجه، یک طراحیPrime Assembly می‌تواند بالقوه برای بیماران مختلفی که جهش‌های متفاوتی در همان منطقه ژنی دارند قابل استفاده باشد. پژوهشگران این ویژگی را گامی در جهت ایجاد universal gene-specific therapies می‌دانند؛ یعنی درمانی که به‌جای طراحی جداگانه برای هر واریانت، گروه بزرگی از جهش‌های یک ژن را پوشش دهد.

آزمایش در سلول‌های انسانی مرتبط با درمان

Prime Assembly تنها در سلول‌های آزمایشگاهی استاندارد بررسی نشد.پژوهشگران نشان دادند که این فناوری در سلول‌های اولیه CD3+ T انسانی و همچنین سلول‌های بنیادی و پیش‌ساز خون‌ساز CD34+ انسانی(HSPCs) نیز قادر به ایجاد targeted integration است. این موضوع از نظر کاربردهای آینده اهمیت دارد، زیرا HSPCها از مهم‌ترین سلول‌های هدف در درمان بیماری‌های ژنتیکی خونی هستند.یکی دیگر از ویژگی‌های قابل توجه این روش آن است که برخلاف homology-directed repair یاHDR، فعالیت Prime Assembly به تقسیم فعال سلول وابسته نیست.مقالهNature نشان می‌دهد این فناوری در سلول‌های غیرتقسیم‌شونده نیز فعال است؛ موضوعی که می‌تواند دامنه سلول‌های قابل هدف‌گیری را در آینده گسترش دهد.

بدون نیاز به double-strand break متداول

Prime Assembly برای targeted integration به شکست کامل دو رشته‌ایDNA ناشی از نوکلئاز وابسته نیست. همچنین برخلاف HDR، به donor DNA دو رشته‌ای و پیشرفت سلول در مراحل خاص چرخه سلولی وابستگی الزامی ندارد. این ویژگی اهمیت دارد زیرا double-strand break می‌تواند با پیامدهایی مانند rearrangementهای ناخواسته، آسیب DNA و استرس سلولی همراه باشد. پژوهشگران گزارش کرده‌اند که برای targeted genomic integration، استفاده از نسخه nickase-based Prime Assembly می‌تواند از نظر خلوص محصول و genome-wide specificity مناسب‌تر باشد.

بازنویسی یک ناحیه مرتبط با بیماری ژنتیکی

یکی از نمونه‌های ارائه‌شده در مقاله، بازنویسی یک ناحیه از ژن TINF2 بود.برخی جهش‌های TINF2 با بیماری‌هایی از جمله dyskeratosis congenita مرتبط هستند. پژوهشگران از Prime Assembly برای recoding ناحیه‌ای از این ژن که شامل مجموعه‌ای از جهش‌های بیماری‌زا است استفاده کردند.این آزمایش نمونه‌ای از همان مفهوم کلیدی Prime Assembly است: به‌جای طراحی یک اصلاح جداگانه برای هر جهش، می‌توان یک منطقه حاوی چندین واریانت بالقوه بیماری‌زا را با یک توالی جایگزین پوشش داد.

کاربرد بالقوه در سلول‌درمانی

Prime Assembly همچنین امکان وارد کردن transgene در جایگاه‌های مشخص ژنوم را نشان داد. در سلول‌های T، چنین قابلیتی می‌تواند در آینده برای وارد کردن دقیق گیرنده‌های مصنوعی یا سایر اجزای درمانی مورد استفاده قرار گیرد. پژوهشگران توانستند targeted transgene integration را در چند locus مختلف در سلول‌های اولیه CD3+ و HSPCهای CD34+ نشان دهند.

محدودیت‌های فناوری

با وجود نتایج امیدوارکننده، Prime Assembly هنوز یک فناوری پیش‌بالینی و آزمایشگاهی است. هیچ بیمار انسانی تاکنون با این روش درمان نشده و ایمنی و اثربخشی آن در کارآزمایی بالینی ارزیابی نشده است. مقالهNature همچنین نشان می‌دهد که ویرایش همیشه کاملاً دقیق نیست. در کنارtargeted integration، برخی imprecise outcomes از جمله ادغام flap همراه با deletion نیز مشاهده شده است. پژوهشگران توانستند با مهار برخی مسیرهای competing end joining، کارایی و خلوص محصول را بهبود دهند، اما بهینه‌سازی بیشتر برای کاربرد درمانی ضروری است. چالش مهم دیگر، delivery است. گروه پژوهشی اعلام کرده است که اکنون روی بهبود انتقال اجزای Prime Assembly به سلول‌های مرتبط با بیماری، از جمله hematopoietic stem cells، کار می‌کند.

اهمیت این دستاورد

Prime Assembly دامنه تغییراتی را که با فناوری‌های مبتنی بر prime editing می‌توان در ژنوم ایجاد کرد گسترش می‌دهد. امکان جایگزینی هدفمند قطعات بزرگ‌تر DNA، فعالیت در سلول‌های تقسیم‌شونده و غیرتقسیم‌شونده و استفاده در T cells و CD34+ HSPCs، این فناوری را به یک پلتفرم بالقوه مهم برای نسل آینده ویرایش ژن تبدیل می‌کند. در صورت تأیید ایمنی و کارایی در مطالعات بعدی، چنین رویکردی می‌تواند به توسعه درمان‌هایی کمک کند که به‌جای هدف قرار دادن یک جهش منفرد، بخش‌های کامل ژن‌های دارای جهش‌های متعدد را اصلاح کنند. با این حال، Prime Assembly در حال حاضر یک فناوری تحقیقاتی است و تبدیل آن به درمان بالینی نیازمند بهینه‌سازی کارایی، delivery، بررسی دقیق off-target و پیامدهای ناخواسته و در نهایت مطالعات پیش‌بالینی و بالینی بیشتر خواهد بود.

منابع