میتوکندری تنها سنگر تسخیرنشده در دنیای ویرایش ژن

به گزارش دیجیتالر، ویرایش ژن کریسپر (CRISPR) راه خویش را به هر گوشه ای از زیست شناسی مدرن باز کرده است، اما نه به هر گوشه ای از سلول ها. باآنکه محققان از این سیستم ها برای توسعه درمان هایی برای کم خونی داسی شکل و سرطان های خون، برای رمزگشایی از اسرار چندسلولی بودن و کشف نقش هزاران پروتئین نادیده گرفته شده استفاده کرده اند، اما یک مکان وجود دارد که کریسپر به آسانی نمی تواند به آن دسترسی پیدا کند و آن میتوکندری است.

به گزارش دیجیتالر به نقل از ایسنا، حلقه های دی ان ای درون میتوکندری برای به کارگیری این تکنیک ها غیرقابل دسترسی هستند، به این معنا که ویرایش های دقیق دی ان ای میتوکندری (mtDNA) به طرز ناامیدکننده ای دور از دسترس باقی می مانند. مایکل مینچوک، متخصص ژنتیک در دانشگاه کمبریج انگلستان، می گوید: میتوکندری انقلاب CRISPR–Cas۹ را که ۱۲ سال پیش آغاز شد، از دست داد.
به نقل از نیچر، مینچوک می گوید، اما پژوهشگران مشتاق دسترسی به این دی ان ای هستند. میتوکندری ها اندامک های لوبیا شکلی هستند که به سلول ها نیرو می دهند و وظایف سلولی بی شماری دارند. بررسی دی ان ای آنها برای درک تولید و تبادل انرژی که زیربنای سلامت متابولیک است، ضروریست و بالاتر از ۳۰۰ جهش در این دی ان ای سبب بیماریهای میتوکندریایی می شود که اختلالات ژنتیکی لاعلاج با طیف وسیعی از علایم را که می توانند بینایی و شنوایی افراد را از بین ببرند، مشکلات عضلانی ایجاد کنند و تشنج ایجاد کنند، در برمی گیرد. این اختلالات تقریباً از هر ۵۰۰۰ نفر، یک نفر را تحت الشعاع قرار می دهند.
از آنجائیکه کریسپر نمی تواند به این مشکلات کمک نماید، پژوهشگران بدنبال راه های دیگری برای ویرایش دقیق ژنوم میتوکندری بوده اند و چند سال قبل موفقیت هایی را به دنبال داشته است. این ابزارها اکنون به عنوان یک مزیت برای ایجاد مدلهای حیوانی دقیق از بیماریهای میتوکندریایی اثبات شده اند. جین-سو کیم، زیست شناس شیمیایی که ابزارهای ویرایش (mtDNA) را در مؤسسه پیشرفته علوم و فناوری کره در دائجون، کره جنوبی توسعه می دهد، می گوید: پیشرفت قابل توجه بوده است.
اگر پژوهشگران بتوانند ویرایش دی ان ای میتوکندری (mtDNA) را به میزان کافی ایمن و دقیق انجام دهند، در نهایت میتوان از آن برای درمان و حتی درمان قطعی این بیماریهای ژنتیکی استفاده نمود. کیم می گوید: این یک پیشرفت پزشکی خواهد بود.
منشأ باکتریایی
ریشه دقیق میتوکندری مبهم است، اما بر طبق یک نظریه پیشرو، داستان این اندامک حدود ۱.۵ میلیارد سال پیش آغاز شد، زمانی که یک میکروارگانیسم تک سلولی به نام آرکئون، یک باکتری سرگردان را که در داخل میزبان خود زنده مانده بود، بلعید. این رویداد آغاز یوکاریوت ها بود که گروه بزرگی از ارگانیسم ها، همچون گیاهان، حیوانات و قارچ ها را می سازند که در آنها سلول ها حاوی اندامک هایی هستند که درون غشاها محصور شده اند. باکتری بلعیده شده، دی ان ای حلقوی مشخصه خودرا هنگام استقرار در خانه جدید خود حفظ کرد، اما با گذشت زمان، بیشتر ژن های خودرا فدای ژنوم هسته ای میزبان خود کرد.
مقادیر کمی از دی ان ای میتوکندری که در حیوانات باقیمانده است، از جهات کلیدی با دی ان ای هسته ای که در انسان ها حدود ۲۰ هزار ژن را رمزگذاری می کند، متفاوت می باشد. برای شروع، دی ان ای میتوکندری بطور معمول منحصرا از مادر به ارث می رسد. در هر میتوکندری می تواند چندین نسخه از دی ان ای میتوکندری وجود داشته باشد و این اندامک، دستگاه داخلی خودرا برای ساخت آران ای و پروتئین ها از آن دی ان ای دارد.
دی ان ای میتوکندریایی همین طور بسیار مستعد خطا است و نرخ جهش آن ۱۰ تا ۲۰ برابر بیشتر از دی ان ای هسته ای تخمین زده می شود. این امر تا حدی بدین سبب است که باید با انبوهی از گونه های اکسیژن فعال مخرب که مولکول های ناپایداری هستند که در طول تولید انرژی طبیعی در میتوکندری تولید می شوند، روبرو شود. اما همین طور بدین سبب است که هیستون را که پروتئین هایی هستند که از دی ان ای هسته ای محافظت و آنرا بسته بندی می کنند، ندارد.
هسته به سرعت رشته دی ان ای صدمه دیده را با بهره گیری از مجموعه ای از مکانیسم های ترمیمی ترمیم می کند، اما میتوکندری فقط می تواند تعدادی از نقص ها را ترمیم کند. آنها اغلب بسادگی دی ان ای شکسته خودرا دور می اندازند. این تفاوت، گزینه های ابزارهای ویرایش ژن را محدود می کند، چونکه تقریباً همه این ابزارها برای دی ان ای هسته ای از مسیرهای ترمیم ذاتی آن استفاده می نمایند.
استفن اکر، زیست شناس مولکولی در دانشگاه تگزاس در آستین، می گوید: توسعه رویکردهایی برای اصلاح دی ان ای میتوکندری بطور شایان توجهی چالش برانگیز بوده است. او می گوید: ریشه های باکتریایی آن زمانی آشکار می شوند که شما آغاز به کوشش برای ویرایش آن می کنید.
مهم ترین مانع برای دانشمندانی که تلاش در دستکاری ژنوم میتوکندری دارند، این است که این ژنوم پشت دیواره ای از غشاها قفل شده است که اجازه عبور اسیدهای نوکلئیک خارجی را به داخل اندامک نمی دهد. باآنکه نشانه هایی وجود دارد بر مبنای این که ابزارهای ویرایش ژن مبتنی بر کریسپر که برای هدایت آنها به توالی صحیح به آران ای متکی هستند، ممکنست بتوانند بر این موانع غلبه کنند، اما خیلی از پژوهشگران هنوز متقاعد نشده اند.
برش و حذف
با این وجود، راه های دیگری هم وجود دارد. بالاتر از یک دهه پیش از این که کریسپر به یک ابزار تحقیقاتی تبدیل گردد، پژوهشگران میتوکندری آغاز به آزمایش با سایر ابزارهای ویرایش کردند که می توانستند از غشاهای میتوکندری عبور کرده و اندامک ها را به رهایی از دی ان ای مشکل ساز خود ترغیب کنند.
هر سلول حاوی تعداد زیادی ژنوم میتوکندری است، چونکه سلول ها حاوی هزاران میتوکندری هستند و هر کدام می توانند چندین نسخه از دی ان ای میتوکندری را حمل کنند. دی ان ای میتوکندری سالم و جهش یافته اغلب با هم وجود دارند. حالتی که به عنوان هتروپلاسمی شناخته می شود. زمانی که نسبت دی ان ای جهش یافته در یک بافت یا نوع سلول خاص به ۶۰ تا ۸۰ درصد می رسد، بیماریهای میتوکندریایی بروز می کنند.
اگر پژوهشگران می توانستند نسخه های معیوب دی ان ای را در سلول ها کاهش دهند، می توانستند بیماری ناشی از آنرا از بین ببرند. بنابراین، آنها به آنزیم هایی به نام نوکلئازهای انگشت روی (ZFNs) و نوکلئازهای مؤثر شبیه فعال کننده رونویسی (TALENs) روی آوردند تا دی ان ای میتوکندری دو رشته ای را برش دهند. در حالیکه برش هدفمند دی ان ای هسته ای، رشته های دی ان ای برش داده شده را وادار می کند تا بدون جهش مضر، باردیگر به هم بچسبند، دی ان ای برش داده شده در میتوکندری بسادگی دور ریخته می شود. این حذف، نسخه های سالم باقیمانده را تحریک می کند تا خودرا تکثیر کنند تا سطح صحیح دی ان ای میتوکندری حفظ شود.
در بیشتر موارد، با تکثیر نسخه های طبیعی، تعداد کپی های جهش یافته به سطح قابل قبولی کاهش پیدا می کند. کارلوس مورائس، متخصص ژنتیک در دانشگاه میامی در فلوریدا، می گوید: این کار، جبران چیزی را می کند که شما درحال نابود کردن آن هستید.
باآنکه پیشرفت هایی در این رویکرد حاصل شده است، اما هنوز از لابراتوار خارج نشده است و حتی اگر به کلینیک برسد، این تکنیک در مقابل بیماریهای ناشی از جهش هایی که اغلب در تمام نسخه های دی ان ای فرد وجود دارند، مانند نوروپاتی اپتیک ارثی لبر (LHON)، یک بیماری نادر که سبب از دست دادن سریع بینایی می شود، ناتوان خواهد بود. چیزی که پژوهشگران به آن نیاز دارند، ابزارهایی هستند که کاری بالاتر از برش دی ان ای انجام دهند، اما به آران ای راهنما متکی نباشند.
ویرایش پایه بدون کریسپر
وقتی CRISPR–Cas۹ در سال ۲۰۱۲ به عنوان ابزاری ظهور کرد، به ویرایشگر ژن مورد استفاده برای انواع کاربردها تبدیل شد. یک آران ای راهنما، آنزیم Cas۹ را به یک توالی خاص دی ان ای هدایت می کند؛ جایی که آنزیم برش را انجام می دهد. تغییرات ژنتیکی با ترمیم خود دی ان ای ایجاد می شوند.
این رویکرد در سال ۲۰۱۶، زمانی که دیوید لیو، زیست شناس شیمی در مؤسسه Broad MIT و هاروارد در کمبریج، ماساچوست و همکارانش تکنیک دقیق تری به نام ویرایش باز را معرفی کردند، حتی مفیدتر هم شد. در این مورد، پژوهشگران آنزیم Cas۹ را اصلاح کرده و برای تبدیل یک حرف باز دی ان ای به حرف دیگر به آنزیم دیگری به نام دآمیناز متکی هستند.
باآنکه ویرایش باز و سایر روشهای فنی کریسپر برای دی ان ای هسته ای مورد استفاده قرار گرفتند، لیو و سایر گروههای تحقیقاتی نتوانستند آنرا روی دی آن ای میتوکندری به کار گیرند. از آنجائیکه آران ای راهنمای کریپسر به آسانی از غشای دوگانه میتوکندری عبور نمی کند، استفاده از ابزارهای دقیق روی دی ان ای میتوکندری بازهم یک رؤیا بود. لیو می گوید: ما موفقیت زیادی نداشتیم.
در سال ۲۰۱۸، زمانی که جوزف موگوس، میکروبیولوژیست وقت دانشگاه واشنگتن در سیاتل و همکارانش بطور اتفاقی به سمی برخوردند که توسط باکتری بورخولدریا سنوسپاسیا ایجاد می شود، چاره ای عرضه شد. این آنزیم که سلاحی مرگبار ضد سایر باکتری ها است، در نهایت با تبدیل باز C به T در ژنوم باکتری، ویرانی به پا می کند.
موگوس که حالا در دانشگاه ییل در نیوهیون، کنتیکت مستقر است، به لیو ایمیل زد و پرسید که آیا این آنزیم که DddA نام دارد، برای او فایده ای خواهد داشت یا خیر. لیو می گوید: من دقیقاً می دانستم که از آنچه استفاده ای می شود. ویرایش باز دی ان ای میتوکندری.
اما تغییر هر C به یک T برای سلول ها کشنده خواهد بود. لیو و همکارانش تصمیم گرفتند این هیولا را رام کنند. آنها DddA را به دو قطعه غیرفعال تقسیم کردند تا آنزیم فقط زمانی که قطعات در یک جهت خاص کنار هم قرار می گیرند، کار خودرا روی دی ان ای میتوکندری انجام دهد و بجای استفاده از آران ای راهنما، لیو و همکارانش پروتئین های موجود را اصلاح کردند تا بخش های DddA را به توالی های هدف خود هدایت کنند.
لیو و تیمش با بهره گیری از ویرایشگر پایه خود، پنج جهش میتوکندریایی را در لابراتوار به سلول های انسانی وارد کردند. هیجان آدرنالینی که با انجام چنین شاهکار فنی همراه بود، هنوز برای بورلی موک، زیست شناس شیمی که دانشجوی کارشناسی ارشد این تیم بود و الان در آژانس علوم، فناوری و تحقیقات در سنگاپور فعالیت می کند، زنده است.
اما این ویرایشگر باز فقط می توانست C را به T تغییر دهد و سایر حروف باز را دست نخورده باقی بگذارد. در سال ۲۰۲۲، کیم و همکارانش ویرایشگر باز دیگری ایجاد کردند که A را به G تغییر می دهد، اصلاحی که می تواند بالاتر از ۴۰ درصد از جهش های بیماری زای شناخته شده را اصلاح نماید. این گروه حالا درحال تطبیق ویرایشگر باز A به G برای هدف قرار دادن جهش های زمینه ساز بیماریهای میتوکندریایی هستند.
ساخت مدلهای بهتر
هم اکنون، کارهایی جهت استفاده از این ویرایشگرهای باز جهت توسعه مدلهای حیوانی بیماریهای میتوکندریایی در حال انجام می باشد.
در ماه ژانویه، شیائوکسو ژانگ، زیست شناس دانشگاه پکینگ در پکن و همکارانش ویرایشگرهای باز موجود را اصلاح کردند و از آنها برای ایجاد دو مدل موش استفاده کردند.
از زمان معرفی کریسپر تا نخستین درمان مورد تایید دولت در سال ۲۰۲۳، بالاتر از یک دهه طول کشید. این تکنیک که Casgevy نام دارد، بیماری کم خونی داسی شکل و یک اختلال خونی در رابطه با آن، بتا تالاسمی را درمان می کند. پژوهشگران می گویند که ورود ویرایشگرهای دی ان ای میتوکندری به عرصه بالینی احتمالاً حداقل یک دهه طول خواهد کشید.
اما مدلهای بیماری که درحال توسعه هستند، می توانند خیلی زودتر به نفع افرادی باشند که بیماریهای میتوکندریایی دارند. آنها به پژوهشگران کمک می کنند تا زیست شناسی پایه این اختلالات را درک کنند و آزمایش درمان های هدفمندتری را که نیاز به ویرایش ژن ندارند، امکان پذیرکنند.

این رویداد آغاز یوکاریوت ها بود که گروه بزرگی از ارگانیسم ها، همچون گیاهان، حیوانات و قارچ ها را می سازند که در آنها سلول ها حاوی اندامک هایی هستند که درون غشاها محصور شده اند. این امر تا حدی به این دلیل است که باید با انبوهی از گونه های اکسیژن فعال مخرب که مولکول های ناپایداری هستند که در طول تولید انرژی طبیعی در میتوکندری تولید می شوند، روبرو شود. در این مورد، محققان آنزیم Cas۹ را اصلاح کرده و برای تبدیل یک حرف باز دی ان ای به حرف دیگر به آنزیم دیگری به نام دآمیناز متکی هستند.

1404/07/25

12:24:26

5.0 / 5

تگهای خبر: تولید , دستگاه , ساخت , سیستم

این مطلب دیجیتالر را می پسندید؟

(1)

(0)

تازه ترین مطالب مرتبط

کامنت بینندگان دیجیتالر در مورد این مطلب

کامنت شما در مورد این مطلب

نام:

ایمیل:

کامنت:

سوال:

= ۸ بعلاوه ۳