خانه / اطلاعات عمومی زیستی / آشنایی با سیستم CRISPR/Cas9

آشنایی با سیستم CRISPR/Cas9

آیا میتوان انسان هایی طراحی کرد که ویژگی های متمایزی همچون هوش بالاتر داشته باشند ؟ آیا میتوان بیماری های ژنتیکی را درمان کرد؟ آیا برای مقابله با مقاومت های آنتی بیوتیکی میتوان گامی برداشت؟ آیا میتوان به درمانHIV اندیشید؟

این ها پرسش هایی هستند که برای پاسخ دادن به آن ها، ابتدا باید با یک سیستم به نام (CRISPR/Cas9) آشنا شویم. این سیستم، در باکتری ها و آرکی ها یافت میشود و باکتری ها به کمک آن میتوانند خود را در مقابل باکتریوفاژ ها ایمن کنند. دانشمندان، با تقلید از این سیستم ایمنی در باکتری ها و به کارگیری آن به عنوان ابزاری برای ویرایش ژنوم، توانسته اند گام هایی بلند در جهت توسعه ی فناوری ویرایش ژنوم بردارند. در ادامه به بررسی مکانسیم این سیستم و کاربرد های آن میپردازیم.

 CRISPR  مخفف  Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeatsاست و در حقیقت به بخشی از ژنوم باکتری گفته میشود که به صورت توالی های کوتاه و تکرار شونده هستند و بوسیله ی توالی های دیگری از هم جدا شده اند.

 سال ۱۹۸۷ زمانی که دانشمندان به بررسی ژنوم باکتری E coli میپرداختند، با چنین توالی روبه رو شدند، اما آن زمان نقش این توالی های مرموز شناخته نشد تا اینکه در سال ۲۰۰۷ ،دانشمندان متوجه شدند که این توالی ها در سیستم ایمنی باکتری نقش دارن و سرانجام در سال ۲۰۱۱ مکانیسم این سیستم برای اولین بار کشف شد.

سال ۲۰۱۲ خانم ها  Jennifer Doudna و  Emmanuelle charpentier  از این سیستم برای نخسیتن بار به عنوان ابزار ویرایش ژنوم استفاده کردند.

مکانیسم

هنگامی که باکتری برای اولین بار با یک باکتریوفاژ برخورد می کند، پروتئین هایی به نامCas1 و  Cas2بیان میشوند و ژنوم باکتریوفاژ که وارد باکتری شده را ازمحل توالی خاصی به نام  PAMبرش میدهند، سپس آن را در محل توالی CRISPR قرار داده (Spacer) و یه توالی تکرار شونده(Reapeat) را به دنبال آن قرار میدهند.(پس حالا میتوان متوجه شد متوجه شدکه توالی هایی که بین تکرار ها قرار داشتند، مربوط به ژنوم باکتریوفاژ است) .

 

از روی این توالی ها  RNAهایی ساخته میشود(این RNA ها به همراه  RNAیی دیگر به نام tracrRNA تشکیل یک RNA  راهنما به نام guide RNA  یا gRNA  را میدهند که پروتیئن Cas9 را به سمت محل صحیح برش هدایت میکند) که با پروتئین اندونوکلئازی به نام هم Cas9  کمپلکس تشکیل میدهند. اگر پس از مدتی باکتری مجددا با همان باکتریوفاژ برخورد کند، این بار پس از ورود ژنوم باکتریوفاژ، این ژنوم بوسیله ی کمپلکس  Cas9/gRNA  شناسایی شده و برش میخورد. لازم به ذکر است که نحوه ی شناسایی آن به این صورت میباشد : در محلی که  gRNA با ژنوم باکتریوفاژ مکمل میشود،  Cas9 با خاصیت اندونکلئازی خود آن محل را برش میدهد و بنابراین باکتریوفاژ نمیتواند ژنوم خود را وارد ژنوم باکتری کند و آن را نابود سازد.

تمام آنچه که برای ویرایش ژنوم نیاز است،یک هدایتگر است تا محل مشخصی از ژنوم را شناسایی کرده و یک نوکلئاز که آن را برش دهد؛ این دلایل باعث شدند تا خانم  Doudna و  Charpentier از کریسپر به عنوان ابزاری برای ویرایش ژنوم استفاده کنند؛ به این صورت که اگر ما بتوانیم  gRNA را به گونه ای طراحی کنیم که مکمل توالی خاصی باشد و آن را به همراه پروتئین  Cas9 وارد سلول مورد نظر سازیم؛ کمپلکس Cas9/gRNA  میتواند  DNA را در محلی مشخص برش دهد.

 

این برش که به صورت Double strand بوده، سبب میشود سلول درپاسخ به ابن برش، یکی از دو استراتژی زیر را اتخاذ کند:

  1. (Non Homologous End Joining) NHEJ در این حالت سلول تعدادی نوکلئوتید به صورت تصادفی در محل بریدگی قرار میدهد و درنتیجه ترتیب۳ تایی ژن به هم ریخته و ژن     knockout میشود.

  2. (Homology Direct Repair) HDR در این حالت سلول میتواند یک قطعه DNA خارجی (که میتوانیم خومان آن را از قبل طراحی کرده و وارد سلول کنیم)را وارد محل بریدگی کند و دو سر را به هم متصل کند در چنین حالتی، اصلاح  Modifyصورت میگرد.

به طور کلی اگر ژنی معیوب باشد و بخواهیم آن را خاموش کنیم؛ میتوانیم از خاصیت اول استفاده کنیم، و اگر بخواهیم صفت خوبی ایجاد کنیم، میتوانیم از خاصیت  Modification بهره ببریم.

حال لازم است بدانیم چگونه این سیستم را وارد سلول مورد نظر میکنند.

برای این منظور میتوان پروتئینCas9 را به یکی از ۳ روش زیر وارد سلول میزبان کرد تا با gRNA کمپلکس تشکیل دهد :

  1. ژن این پروتئین را وارد سلول میکنند تا درون سلول از روی آن mRNA تولید شده و سپس پروتئین ساخته شود.

  2.  mRNA این پروتئین را وارد سلول میکنند تا درون سلول بیان شود و پروتئین تولید شود.

  3. خود پروتئین را به صورت مستقیم را وارد سلول میکنند.

میزان کارایی، اختصاصیت و هزینه ی کار در روش های فوق، از بالا به پایین افزایش می یابد.

کاربرد های CRISPR

 از این فناوری میتوان در کار های تحقیقاتی بویژه در حوزه ی تاثیر موتاسیون های خاص بر سرطان و تومور زایی استفاده کرد؛ به این صورت که با ایجاد موتاسیون در محل های مشخص، میتوان تاثیر مستقیم آن ژن معیوب را بر سرطان مورد بررسی قرار داد.

 کاربرد های دیگر آن در بخش سلامت و درمان، بویژه بیماری های ژنتیکی همچون دیستروفی عضلانی دوشن است. همچنین دانشمندان در تلاشند تا بتوانند به کمک این روش پیشرفت هایی در درمان  HIVایجاد کنند؛ همانطور که میدانید رترو ویروس ها وقتی سلول میزبان را آلوده میکنند، ژنوم خود را درون  DNA میزبان وارد میکنند و بدین طریق به تکثیر ژنوم خود میپردازند؛ آنها امید دارند تا بتوانند به کمک این سیستم ، ژنوم ویروسی را از DNA  میزبان جدا کرده و از آلوده شدن سلول و تبدیل آن به کارخانه ای برای تولید ویروس جلوگیری به عمل آورند.

 بخش دیگر کاربرد های این سیستم به بحث دارو سازی مربوط میشود، همانطور که میدانید در سالهای آخرین، مقاومت های آنتی بیوتیکی در باکتری ها از مشکلات بزرگ جوامع در درمان بیماری ها محسوب میشود. اما با گسترش تحقیقات بر روی سیستم CRISPR/Cas9 ، دانشمندان امیدوارند تا بتوانند ژن های مقاومت به آنتی بیوتیک ها را که در پلاسمید های باکتری قرار دارند، ببُرند و بتوان از این طریق کپسول هایی تولید کرد که با انتقال سیستم کریسپری، مقاومت آنتی بیوتیکی را از بین برد و به درمان کمک نمود.

آنچه که در پایان به آن اشاره خواهیم کرد بحث اخلاقی در استفاده از از کریسپر برای ویرایش جنین انسان و به عبارت دیگر، طراحی انسان است؛ آن چیزی که سبب نگرانی ها در استفاده از این سیستم شده است، دستکاری هایی در جنین انسان است. به کمک این سیستم میتوان جنین هایی تولید کرد که هوش بالاتر و استخوان های محکم تری دارند؛ جنین هایی که احتمال بروز بیماری های قلبی در آن ها کمتر است، جنین هایی که…

اما آیا این ضمانت وجود دارد که از این انسان های خارق العاده برای امور غیر اخلاقی استفاده نمی شود؟ همین دلایل سبب شده است که استفاده از این سیستم در جنین انسان با محدودیت هایی مواجه شود.

منابع:

(۱)

  1. Charpentier E, Doudna JA. Biotechnology: Rewriting a genome. Nature. 2013;495(7439):50-1.

  2. Redman M, King A, Watson C, King D. What is CRISPR/Cas9? Archives of disease in childhood Education and practice edition. 2016;101(4):213-5.

  3. Wiedenheft B, Sternberg SH, Doudna JA. RNA-guided genetic silencing systems in bacteria and archaea. Nature. 2012;482(7385):331-8.

  4. Makarova KS, Haft DH, Barrangou R, Brouns SJ, Charpentier E, Horvath P, et al. Evolution and classification of the CRISPR-Cas systems. Nature reviews Microbiology. 2011;9(6):467-77.

  5. Haurwitz RE, Jinek M, Wiedenheft B, Zhou K, Doudna JA. Sequence- and structure-specific RNA processing by a CRISPR endonuclease. Science (New York, NY). 2010;329(5997):1355-8.

  6. Yao S, He Z, Chen C. CRISPR/Cas9-Mediated Genome Editing of Epigenetic Factors for Cancer Therapy. Human gene therapy. 2015;26(7):463-71.

  7. Karvelis T, Gasiunas G, Siksnys V. Programmable DNA cleavage in vitro by Cas9. Biochemical Society transactions. 2013;41(6):1401-6.

(۲-۵)

(۶, ۷)

  1. ۸٫ موسی زاده، م ؛حسینی، ز؛رضایی، ز؛دهقانیان، ف : » سیستم CRISPR-Cas9 و سرطان «. تشخیص آزمایشگاهی: شماره ۱۳۱، ۱۳۹۵.

  2. ۹٫ https://www.technologyreview.com/s/604126/edible-crispr-could-replace-antibiotics/

درباره ی mhpoursafavi

دانشجو رشته زیست شناسی سلولی مولکولی (ژنتیک) دانشگاه شاهد تهران

همچنین ببینید

خلاصه ای از کتاب پروژه ژنوم انسان نوشته علامه محمّدتقی جعفری

پروژه ژنوم انسانی   خلاصه از کتاب “پروژه ژنوم انسان” علامه محمدتقی جعفری در رابطه …

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *