کشف سطح جدید از ویرایش ژنوم

محققان MIT نرخ خطای ویرایش اصلی (prime editing) را به طور چشمگیری کاهش داده‌اند، یک تکنیک با پتانسیل درمان بسیاری از اختلالات ژنتیکی.

یک روش ویرایش ژن به نام ویرایش اصلی (prime editing) ممکن است روزی بیماری‌های زیادی را با اصلاح ژن‌های معیوب به گونه‌ای که به درستی عمل کنند درمان کند. با این حال، این تکنیک ریسک کوچکی از ایجاد تغییرات ناخواسته که ممکن است مضر باشند، دارد.

دانشمندان MIT راهی برای کاهش قابل توجه این نرخ خطا با مهندسی پروتئین‌هایی که ویرایش اصلی را قدرت می‌دهند، شناسایی کرده‌اند. به گفته محققان، این بهبود می‌تواند توسعه درمان‌های ژنی برای دامنه وسیعی از بیماری‌ها را آسان‌تر کند.

فیلیپ شارپ، استاد ارشد MIT و یکی از نویسندگان ارشد این مطالعه جدید می‌گوید: «این مقاله یک رویکرد جدید برای ویرایش ژن را معرفی می‌کند که سیستم تحویل را پیچیده‌تر نمی‌کند و مراحل اضافی اضافه نمی‌کند، اما نتیجه یک ویرایش دقیق‌تر با تعداد کمتری از جهش‌های ناخواسته است.»

با استراتژی جدید خود، تیم MIT موفق شد نرخ خطای ویرایشگرهای اصلی را از حدود یک خطا در هفت ویرایش به یک در ۱۰۱ برای پرکاربردترین حالت ویرایش، یا از یک خطا در ۱۲۲ ویرایش به یک در ۵۴۳ برای حالت ویرایش با دقت بالا کاهش دهد.

رابرت لانگر، استاد MIT و یکی از نویسندگان ارشد این مطالعه می‌گوید: «برای هر دارویی، آنچه که می‌خواهید چیزی است که مؤثر باشد، اما با کمترین عوارض جانبی ممکن. برای هر بیماری که ممکن است نیاز به ویرایش ژن داشته باشد، فکر می‌کنم این در نهایت یک روش ایمن‌تر و بهتر برای انجام آن خواهد بود.»

محقق پژوهشگاه Koch، ویکاش چوهان، نویسنده اصلی مقاله‌ای است که امروز در مجله Nature منتشر شده است.

پتانسیل خطا

اولین شکل‌های درمان ژن، که در دهه ۱۹۹۰ آزمایش شدند، شامل تحویل ژن‌های جدید از طریق ویروس‌ها بودند. به دنبال آن، تکنیک‌های ویرایش ژن که از آنزیم‌هایی مانند نوکلئازهای انگشت روی (zinc finger nucleases) برای اصلاح ژن‌ها استفاده می‌کنند، توسعه یافتند. با این حال، این نوکلئازها مهندسی دشواری دارند، بنابراین انطباق آنها برای هدف قرار دادن توالی‌های مختلف DNA فرایندی بسیار وقت‌گیر است.

سال‌ها بعد، سیستم ویرایش ژن CRISPR در باکتری‌ها کشف شد که به دانشمندان راهی بسیار آسان‌تر برای ویرایش ژنوم ارائه داد. سیستم CRISPR شامل یک آنزیم به نام Cas9 است که می‌تواند DNA دو رشته‌ای را در یک نقطه خاص برش دهد، به همراه یک RNA راهنما که Cas9 را برای برش راهنمایی می‌کند. محققان این روش را برای برش توالی‌های ژن معیوب یا وارد کردن توالی‌های جدید طبق الگوی RNA تطبیق داده‌اند.

در سال ۲۰۱۹، محققان موسسه Broad MIT و هاروارد از توسعه ویرایش اصلی خبر دادند: یک سیستم جدید مبتنی بر CRISPR که دقیق‌تر است و اثرات جانبی کمتری دارد. یک مطالعه اخیر گزارش داد که ویرایشگرهای اصلی برای درمان یک بیمار مبتلا به بیماری گرانولوماتوز مزمن (CGD)، یک بیماری ژنتیکی نادر که بر سلول‌های سفید خون تأثیر می‌گذارد، با موفقیت استفاده شده‌اند.

«به طور اصولی، این فناوری می‌تواند روزی برای درمان صدها بیماری ژنتیکی با اصلاح جهش‌های کوچک به طور مستقیم در سلول‌ها و بافت‌ها استفاده شود» چوهان می‌گوید.

یکی از مزایای ویرایش اصلی این است که نیازی به برش دو رشته‌ای در DNA هدف ندارد. در عوض، از نسخه‌ای اصلاح‌شده از Cas9 استفاده می‌کند که فقط یکی از رشته‌های مکمل را برش می‌دهد و جایی برای وارد کردن یک توالی جدید باز می‌کند. RNA راهنما که همراه با ویرایشگر اصلی تحویل داده می‌شود، به عنوان الگو برای توالی جدید عمل می‌کند.

با این حال، زمانی که توالی جدید کپی می‌شود، باید با رشته DNA قدیمی برای وارد شدن به ژنوم رقابت کند. اگر رشته قدیمی توانایی رقابت بیشتری داشته باشد، قطعه اضافی DNA جدید ممکن است به طور تصادفی به جایی دیگر وارد شود و منجر به خطا شود.

بسیاری از این خطاها ممکن است نسبتاً بی‌ضرر باشند، اما ممکن است برخی از آنها در نهایت منجر به رشد تومور یا سایر مشکلات شوند. با جدیدترین نسخه ویرایشگرهای اصلی، نرخ خطا برای حالت‌های مختلف ویرایش از یک در هفت ویرایش تا یک در ۱۲۱ ویرایش متغیر است.

«تکنولوژی‌هایی که اکنون داریم، واقعاً خیلی بهتر از ابزارهای درمان ژن قبلی هستند، اما همیشه احتمال این پیامدهای ناخواسته وجود دارد» چوهان می‌گوید.

ویرایش دقیق

برای کاهش این نرخ‌های خطا، تیم MIT تصمیم گرفت از یک پدیده‌ای که در مطالعه‌ای در سال ۲۰۲۳ مشاهده کرده بودند بهره بگیرد. در آن مقاله، آنها دریافتند که در حالی که Cas9 معمولاً در همان مکان DNA برش می‌دهد، برخی از نسخه‌های جهش‌یافته پروتئین Cas9 نشان‌دهنده کاهش این محدودیت‌ها هستند. به جای برش در همان مکان همیشگی، این پروتئین‌های Cas9 گاهی اوقات یک یا دو پایه جلوتر در توالی DNA برش می‌زنند.

این کاهش محدودیت‌ها، محققان کشف کردند، موجب ناپایداری رشته‌های DNA قدیمی می‌شود، بنابراین آنها تجزیه می‌شوند و این امر فرآیند وارد شدن رشته‌های جدید بدون ایجاد خطا را آسان‌تر می‌کند.

در مطالعه جدید، محققان توانستند جهش‌هایی در Cas9 شناسایی کنند که نرخ خطا را به ۱/۲۰ از مقدار اولیه کاهش دادند. سپس، با ترکیب جفت‌های این جهش‌ها، آنها یک ویرایشگر Cas9 ایجاد کردند که نرخ خطا را حتی بیشتر کاهش داد، به ۱/۳۶ از مقدار اولیه.

برای دقیق‌تر کردن ویرایشگرها، محققان پروتئین‌های Cas9 جدید خود را در یک سیستم ویرایش اصلی گنجاندند که پروتئین بانددهنده RNA برای تثبیت بهتر انتهای الگوی RNA را به طور کارآمدتری گنجانده بود. این ویرایشگر نهایی که محققان آن را vPE می‌نامند، نرخ خطا تنها ۱/۶۰ از مقدار اولیه داشت، که برای حالت‌های مختلف ویرایش از یک در ۱۰۱ ویرایش تا یک در ۵۴۳ ویرایش متغیر بود. این آزمایش‌ها در سلول‌های موش و انسان انجام شد.

تیم MIT اکنون در حال کار بر روی بهبود بیشتر کارایی ویرایشگرهای اصلی است، از طریق اصلاحات بیشتر در Cas9 و الگوی RNA. آنها همچنین در حال کار بر روی روش‌هایی برای تحویل ویرایشگرها به بافت‌های خاص بدن هستند که چالش دیرینه‌ای در درمان ژن است.

آنها امیدوارند که سایر آزمایشگاه‌ها نیز از رویکرد جدید ویرایش اصلی در تحقیقات خود استفاده کنند. ویرایشگرهای اصلی به طور گسترده‌ای برای بررسی سوالات مختلف استفاده می‌شوند، از جمله اینکه چگونه بافت‌ها توسعه می‌یابند، چگونه جمعیت‌های سلولی سرطانی تکامل می‌یابند و چگونه سلول‌ها به درمان دارویی پاسخ می‌دهند.

چوهان می‌گوید: «ویرایشگرهای ژن به طور گسترده‌ای در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی استفاده می‌شوند. بنابراین جنبه درمانی هیجان‌انگیز است، اما ما واقعاً هیجان‌زده هستیم که ببینیم چگونه افراد شروع به ادغام ویرایشگرهای ما در فرآیندهای تحقیقاتی خود خواهند کرد.