عصر کرد - ایسنا / ویرایش ژن کریسپر (CRISPR) راه خود را به هر گوشه‌ای از زیست‌شناسی مدرن باز کرده است، اما نه به هر گوشه‌ای از سلول‌ها. اگرچه محققان از این سیستم‌ها برای توسعه درمان‌هایی برای کم‌خونی داسی‌شکل و سرطان‌های خون، برای رمزگشایی از اسرار چندسلولی بودن و کشف نقش هزاران پروتئین نادیده گرفته شده استفاده کرده‌اند، اما یک مکان وجود دارد که کریسپر به راحتی نمی‌تواند به آن دسترسی پیدا کند و آن میتوکندری است.
حلقه‌های دی‌ان‌ای درون میتوکندری برای به کارگیری این روش‌ها غیرقابل دسترسی هستند، به این معنی که ویرایش‌های دقیق دی‌ان‌ای میتوکندری (mtDNA) به طرز ناامیدکننده‌ای دور از دسترس باقی می‌مانند. مایکل مینچوک، متخصص ژنتیک در دانشگاه کمبریج انگلستان، می‌گوید: میتوکندری انقلاب CRISPR–Cas9 را که 12 سال پیش آغاز شد، از دست داد.
بازار ![]()
به نقل از نیچر، مینچوک می‌گوید، اما محققان مشتاق دسترسی به این دی‌ان‌ای هستند. میتوکندری‌ها اندامک‌های لوبیا شکلی هستند که به سلول‌ها نیرو می‌دهند و وظایف سلولی بی‌شماری دارند. بررسی دی‌ان‌ای آنها برای درک تولید و تبادل انرژی که زیربنای سلامت متابولیک است، ضروری است و بیش از 300 جهش در این دی‌ان‌ای باعث بیماری‌های میتوکندریایی می‌شود که اختلالات ژنتیکی لاعلاج با طیف وسیعی از علائم را که می‌توانند بینایی و شنوایی افراد را از بین ببرند، مشکلات عضلانی ایجاد کنند و تشنج ایجاد کنند، در برمی‌گیرد. این اختلالات تقریبا از هر 5000 نفر، یک نفر را تحت تاثیر قرار می‌دهند.
از آنجا که کریسپر نمی‌تواند به این مشکلات کمک کند، محققان به دنبال راه‌های دیگری برای ویرایش دقیق ژنوم میتوکندری بوده‌اند و چند سال گذشته موفقیت‌هایی را به همراه داشته است. این ابزارها در حال حاضر به عنوان یک مزیت برای ایجاد مدل‌های حیوانی دقیق از بیماری‌های میتوکندریایی اثبات شده‌اند. جین-سو کیم، زیست‌شناس شیمیایی که ابزارهای ویرایش (mtDNA) را در مؤسسه پیشرفته علوم و فناوری کره در دائجون، کره جنوبی توسعه می‌دهد، می‌گوید: پیشرفت قابل توجه بوده است.
اگر محققان بتوانند ویرایش دی‌ان‌ای میتوکندری (mtDNA) را به اندازه کافی ایمن و دقیق انجام دهند، در نهایت می‌توان از آن برای درمان و حتی درمان قطعی این بیماری‌های ژنتیکی استفاده کرد. کیم می‌گوید: این یک پیشرفت پزشکی خواهد بود.
منشأ باکتریایی
ریشه دقیق میتوکندری مبهم است، اما براساس یک نظریه پیشرو، داستان این اندامک حدود 1.5 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 یوکاریوت‌ها بود که گروه بزرگی از ارگانیسم‌ها، از جمله گیاهان، حیوانات و قارچ‌ها را تشکیل می‌دهند که در آنها سلول‌ها حاوی اندامک‌هایی هستند که درون غشاها محصور شده‌اند. باکتری بلعیده شده، دی‌ان‌ای حلقوی مشخصه خود را هنگام استقرار در خانه جدید خود حفظ کرد، اما با گذشت زمان، بیشتر ژن‌های خود را فدای ژنوم هسته‌ای میزبان خود کرد.
مقدار کمی از دی‌ان‌ای میتوکندری که در حیوانات باقی مانده است، از جهات کلیدی با دی‌ان‌ای هسته‌ای که در انسان‌ها حدود 20 هزار ژن را رمزگذاری می‌کند، متفاوت است. برای شروع، دی‌ان‌ای میتوکندری معمولا منحصرا از مادر به ارث می‌رسد. در هر میتوکندری می‌تواند چندین نسخه از دی‌ان‌ای میتوکندری وجود داشته باشد و این اندامک، دستگاه داخلی خود را برای ساخت آران‌ای و پروتئین‌ها از آن دی‌ان‌ای دارد.
دی‌ان‌ای میتوکندریایی همچنین بسیار مستعد خطا است و نرخ جهش آن 10 تا 20 برابر بیشتر از دی‌ان‌ای هسته‌ای تخمین زده می‌شود. این امر تا حدی به این دلیل است که باید با انبوهی از گونه‌های اکسیژن فعال مخرب که مولکول‌های ناپایداری هستند که در طول تولید انرژی طبیعی در میتوکندری تولید می‌شوند، مقابله کند. اما همچنین به این دلیل است که هیستون را که پروتئین‌هایی هستند که از دی‌ان‌ای هسته‌ای محافظت و آن را بسته‌بندی می‌کنند، ندارد.
هسته به سرعت رشته دی‌ان‌ای آسیب دیده را با استفاده از مجموعه‌ای از مکانیسم‌های ترمیمی ترمیم می‌کند، اما میتوکندری فقط می‌تواند برخی از نقص‌ها را ترمیم کند. آنها اغلب به سادگی دی‌ان‌ای شکسته خود را دور می‌اندازند. این تفاوت، گزینه‌های ابزارهای ویرایش ژن را محدود می‌کند، زیرا تقریبا همه این ابزارها برای دی‌ان‌ای هسته‌ای از مسیرهای ترمیم ذاتی آن استفاده می‌کنند.
استفن اکر، زیست‌شناس مولکولی در دانشگاه تگزاس در آستین، می‌گوید: توسعه رویکردهایی برای اصلاح دی‌ان‌ای میتوکندری به طور چشمگیری چالش‌برانگیز بوده است. او می‌گوید: ریشه‌های باکتریایی آن زمانی آشکار می‌شوند که شما شروع به تلاش برای ویرایش آن می‌کنید.
مهم‌ترین مانع برای دانشمندانی که سعی در دستکاری ژنوم میتوکندری دارند، این است که این ژنوم پشت دیواره‌ای از غشاها قفل شده است که اجازه عبور اسیدهای نوکلئیک خارجی را به داخل اندامک نمی‌دهد. اگرچه نشانه‌هایی وجود دارد مبنی بر اینکه ابزارهای ویرایش ژن مبتنی بر کریسپر که برای هدایت آنها به توالی صحیح به آران‌ای متکی هستند، ممکن است بتوانند بر این موانع غلبه کنند، اما بسیاری از محققان هنوز متقاعد نشده‌اند.
برش و حذف
با این حال، راه‌های دیگری نیز وجود دارد. بیش از یک دهه قبل از اینکه کریسپر به یک ابزار تحقیقاتی تبدیل شود، محققان میتوکندری شروع به آزمایش با سایر ابزارهای ویرایش کردند که می‌توانستند از غشاهای میتوکندری عبور کرده و اندامک‌ها را به رهایی از دی‌ان‌ای مشکل‌ساز خود ترغیب کنند.
هر سلول حاوی تعداد زیادی ژنوم میتوکندری است، زیرا سلول‌ها حاوی هزاران میتوکندری هستند و هر کدام می‌توانند چندین نسخه از دی‌ان‌ای میتوکندری را حمل کنند. دی‌ان‌ای میتوکندری سالم و جهش‌یافته اغلب با هم وجود دارند. حالتی که به عنوان هتروپلاسمی شناخته می‌شود. زمانی که نسبت دی‌ان‌ای جهش‌یافته در یک بافت یا نوع سلول خاص به 60 تا 80 درصد می‌رسد، بیماری‌های میتوکندریایی بروز می‌کنند.
اگر محققان می‌توانستند نسخه‌های معیوب دی‌ان‌ای را در سلول‌ها کاهش دهند، می‌توانستند بیماری ناشی از آن را از بین ببرند. بنابراین، آنها به آنزیم‌هایی به نام نوکلئازهای انگشت روی (ZFNs) و نوکلئازهای مؤثر شبیه فعال‌کننده رونویسی (TALENs) روی آوردند تا دی‌ان‌ای میتوکندری دو رشته‌ای را برش دهند. در حالی که برش هدفمند دی‌ان‌ای هسته‌ای، رشته‌های دی‌ان‌ای برش داده شده را وادار می‌کند تا بدون جهش مضر، دوباره به هم بچسبند، دی‌ان‌ای برش داده شده در میتوکندری به سادگی دور ریخته می‌شود. این حذف، نسخه‌های سالم باقی مانده را تحریک می‌کند تا خود را تکثیر کنند تا سطح صحیح دی‌ان‌ای میتوکندری حفظ شود.
در بیشتر موارد، با تکثیر نسخه‌های طبیعی، تعداد کپی‌های جهش‌یافته به سطح قابل قبولی کاهش می‌یابد. کارلوس مورائس، متخصص ژنتیک در دانشگاه میامی در فلوریدا، می‌گوید: این کار، جبران چیزی را می‌کند که شما در حال نابود کردن آن هستید.
اگرچه پیشرفت‌هایی در این رویکرد حاصل شده است، اما هنوز از آزمایشگاه خارج نشده است و حتی اگر به کلینیک برسد، این تکنیک در برابر بیماری‌های ناشی از جهش‌هایی که اغلب در تمام نسخه‌های دی‌ان‌ای فرد وجود دارند، مانند نوروپاتی اپتیک ارثی لبر (LHON)، یک بیماری نادر که باعث از دست دادن سریع بینایی می‌شود، ناتوان خواهد بود. چیزی که محققان به آن نیاز دارند، ابزارهایی هستند که کاری بیش از برش دی‌ان‌ای انجام دهند، اما به آران‌ای راهنما متکی نباشند.
ویرایش پایه بدون کریسپر
وقتی CRISPR–Cas9 در سال 2012 به عنوان ابزاری ظهور کرد، به ویرایشگر ژن مورد استفاده برای انواع کاربردها تبدیل شد. یک آران‌ای راهنما، آنزیم Cas9 را به یک توالی خاص دی‌ان‌ای هدایت می‌کند؛ جایی که آنزیم برش را انجام می‌دهد. تغییرات ژنتیکی با ترمیم خود دی‌ان‌ای ایجاد می‌شوند.
این رویکرد در سال 2016، زمانی که دیوید لیو، زیست‌شناس شیمی در مؤسسه Broad MIT و هاروارد در کمبریج، ماساچوست و همکارانش تکنیک دقیق‌تری به نام ویرایش باز را معرفی کردند، حتی مفیدتر هم شد. در این مورد، محققان آنزیم Cas9 را اصلاح کرده و برای تبدیل یک حرف باز دی‌ان‌ای به حرف دیگر به آنزیم دیگری به نام دآمیناز متکی هستند.
اگرچه ویرایش باز و سایر تکنیک‌های کریسپر برای دی‌ان‌ای هسته‌ای مورد استفاده قرار گرفتند، لیو و سایر گروه‌های تحقیقاتی نتوانستند آن را روی دی‌آن‌ای میتوکندری به کار گیرند. از آنجا که آران‌ای راهنمای کریپسر به راحتی از غشای دوگانه میتوکندری عبور نمی‌کند، استفاده از ابزارهای دقیق روی دی‌ان‌ای میتوکندری همچنان یک رؤیا بود. لیو می‌گوید: ما موفقیت زیادی نداشتیم.
در سال 2018، زمانی که جوزف موگوس، میکروبیولوژیست وقت دانشگاه واشنگتن در سیاتل و همکارانش به‌طور اتفاقی به سمی برخوردند که توسط باکتری بورخولدریا سنوسپاسیا ساخته می‌شود، راه‌حلی ارائه شد. این آنزیم که سلاحی مرگبار علیه سایر باکتری‌ها است، در نهایت با تبدیل باز C به T در ژنوم باکتری، ویرانی به‌پا می‌کند.
موگوس که اکنون در دانشگاه ییل در نیوهیون، کنتیکت مستقر است، به لیو ایمیل زد و پرسید که آیا این آنزیم که DddA نام دارد، برای او فایده‌ای خواهد داشت یا خیر. لیو می‌گوید: من دقیقا می‌دانستم که از آن چه استفاده‌ای می‌شود. ویرایش باز دی‌ان‌ای میتوکندری.
اما تغییر هر C به یک T برای سلول‌ها 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 می‌گیرند، کار خود را روی دی‌ان‌ای میتوکندری انجام دهد و به جای استفاده از آران‌ای راهنما، لیو و همکارانش پروتئین‌های موجود را اصلاح کردند تا بخش‌های DddA را به توالی‌های هدف خود هدایت کنند.
لیو و تیمش با استفاده از ویرایشگر پایه خود، پنج جهش میتوکندریایی را در آزمایشگاه به سلول‌های انسانی وارد کردند. هیجان آدرنالینی که با انجام چنین شاهکار فنی همراه بود، هنوز برای بورلی موک، زیست‌شناس شیمی که دانشجوی کارشناسی ارشد این تیم بود و اکنون در آژانس علوم، فناوری و تحقیقات در سنگاپور فعالیت می‌کند، زنده است.
اما این ویرایشگر باز فقط می‌توانست C را به T تغییر دهد و سایر حروف باز را دست نخورده باقی بگذارد. در سال 2022، کیم و همکارانش ویرایشگر باز دیگری ایجاد کردند که A را به G تغییر می‌دهد، اصلاحی که می‌تواند بیش از 40 درصد از جهش‌های بیماری‌زای شناخته شده را اصلاح کند. این گروه اکنون در حال تطبیق ویرایشگر باز A به G برای هدف قرار دادن جهش‌های زمینه‌ساز بیماری‌های میتوکندریایی هستند.
ساخت مدل‌های بهتر
در حال حاضر، کارهایی برای استفاده از این ویرایشگرهای باز جهت توسعه مدل‌های حیوانی بیماری‌های میتوکندریایی در حال انجام است.
در ماه ژانویه، شیائوکسو ژانگ، زیست‌شناس 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 اولین درمان مورد تایید دولت در سال 2023، بیش از یک دهه طول کشید. این روش که Casgevy نام دارد، بیماری کم‌خونی داسی‌شکل و یک اختلال خونی مرتبط با آن، بتا تالاسمی را درمان می‌کند. محققان می‌گویند که ورود ویرایشگرهای دی‌ان‌ای میتوکندری به عرصه بالینی احتمالا حداقل یک دهه طول خواهد کشید.
اما مدل‌های بیماری که در حال توسعه هستند، می‌توانند خیلی زودتر به نفع افرادی باشند که بیماری‌های میتوکندریایی دارند. آنها به محققان کمک می‌کنند تا زیست‌شناسی پایه این اختلالات را درک کنند و آزمایش درمان‌های هدفمندتری را که نیازی به ویرایش ژن ندارند، امکان‌پذیرکنند.