پرداختن به اصل موضوع با CRISPR

بیماری هانتینگتون (HD) ناشی از تکرار حروف ژنتیکی C-A-G در ژن هانتینگتین است. افرادی که به HD مبتلا نمی‌شوند، ۳۵ یا کمتر تکرار CAG دارند، در حالی که افرادی که به HD مبتلا می‌شوند، ۳۶ یا بیشتر تکرار دارند. از آنجا که علت HD بسیار واضح است، دانشمندان مدت‌هاست که به دنبال یک ایده قدرتمند بوده‌اند: چه می‌شد اگر می‌توانستیم ژن جهش‌یافته را حذف کنیم؟

یک مطالعه جدید در Science Advances گام بزرگی در این مسیر برمی‌دارد. با استفاده از ویرایش ژن CRISPR، محققان توانستند ژن جهش‌یافته هانتینگتین را مستقیماً در مغز موش‌های مبتلا به HD حذف کنند – که منجر به بهبودهای طولانی‌مدت در سلامت مغز، حرکت و طول عمر شد.

بالاتر رفتن از سرچشمه: هدف قرار دادن منشأ مشکل

DNA دستورالعمل‌های ژنتیکی سلول را ذخیره می‌کند که به یک پیام RNA کپی می‌شوند و از آن برای ساخت پروتئین‌ها استفاده می‌شود؛ پروتئین‌ها مولکول‌هایی هستند که کار واقعی را در سلول‌ها انجام می‌دهند. تکرارهای اضافی CAG در ژن هانتینگتین منجر به تولید پروتئین گسترش‌یافته‌ای می‌شود که تصور می‌شود عملکرد درونی سلول‌ها را مختل می‌کند.

بیشتر استراتژی‌های درمانی کنونی برای HD با هدف کاهش سطح RNA و پروتئین هانتینگتین انجام می‌شوند. این‌ها شامل رویکردهایی مانند الیگونوکلئوتیدهای آنتی‌سنس (ASO) یا تداخل RNA (RNAi) هستند که در سطح RNA عمل می‌کنند – پس از اینکه ژن قبلاً خوانده و کپی شده است.

CRISPR به گونه‌ای متفاوت عمل می‌کند. به جای کاهش پیام یا پاکسازی پروتئین، CRISPR قصد دارد خود DNA را تغییر دهد. این امر آن را به یک رویکرد بسیار جذاب برای HD تبدیل می‌کند، جایی که یک ژن معیوب واحد کل بیماری را هدایت می‌کند.

CRISPR: قیچی‌های مولکولی با GPS داخلی

برای درک اینکه چرا این مطالعه اخیراً منتشر شده هیجان‌انگیز است، بیایید نگاهی دقیق‌تر به نحوه عملکرد CRISPR بیندازیم.

در هسته خود، CRISPR راهی برای ویرایش مستقیم DNA در داخل سلول‌ها است. اما تصادفی نیست – بلکه دقیقاً هدفمند است. آن را به عنوان یک جفت قیچی مولکولی تصور کنید که توسط یک GPS هدایت می‌شود. DNA فوق‌العاده طولانی و متراکم است – مانند یک کتابچه راهنمای غول‌پیکر. CRISPR به راهی برای یافتن نقطه دقیق برای ویرایش نیاز دارد.

این سیستم از یک RNA راهنما استفاده می‌کند که مانند یک عبارت جستجو عمل می‌کند. این قطعه کوچک RNA برای مطابقت با یک توالی DNA خاص – در این مورد، بخشی از ژن هانتینگتین – طراحی شده است. مانند استفاده از «یافتن» در یک سند عظیم، RNA راهنما ژنوم را اسکن می‌کند تا زمانی که مطابقت کامل خود را پیدا کند.

هنگامی که هدف پیدا شد، RNA راهنما پروتئینی به نام Cas9 را وارد می‌کند – همان «قیچی» واقعی. Cas9 هر دو رشته DNA را در آن مکان دقیق برش می‌دهد. این یک شکستگی ایجاد می‌کند که سلول باید فوراً آن را ترمیم کند. هنگامی که سلول‌ها برش را ترمیم می‌کنند، اغلب خطاهای کوچکی را وارد می‌کنند. این تغییرات کوچک می‌توانند ژن را مختل کرده و از عملکرد صحیح آن جلوگیری کنند.

در این مطالعه، محققان منطقه‌ای را درست قبل از تکرار گسترش‌یافته CAG که عامل بیماری‌زا در ژن HTT است، هدف قرار دادند. و نکته کلیدی اینجاست: اگر ژن هانتینگتین مختل شود، دیگر نمی‌تواند RNA یا پروتئین تولید کند.

طراحی ایمن‌تر: CRISPR که خود را خاموش می‌کند

یکی از بزرگترین چالش‌ها در ویرایش ژن، ایمنی است.

اگر CRISPR برای مدت طولانی فعال بماند، می‌تواند بخش‌های ناخواسته ژنوم را برش دهد. برای کاهش این خطر، محققان یک سیستم CRISPR خودغیرفعال‌کننده طراحی کردند.

این بدان معناست که CRISPR ژن را ویرایش می‌کند و سپس بلافاصله پس از آن خود را خاموش می‌کند.

آن را مانند یک اره با قطع‌کننده ایمنی خودکار تصور کنید – آنچه را که لازم است برش می‌دهد، سپس بلافاصله خاموش می‌شود تا از ایجاد آسیب اضافی جلوگیری کند.

آزمایش CRISPR در مدل موش HD

برای آزمایش این رویکرد، محققان از یک مدل موش استفاده کردند که نسخه انسانی ژن جهش‌یافته هانتینگتین را با یک تکرار گسترش‌یافته بسیار طولانی حمل می‌کرد. این موش‌های HD معمولاً با مشکلات هماهنگی، تعادل و حرکت مواجه می‌شوند و توده‌های پروتئین هانتینگتین (تجمعات) در سلول‌های مغزی آن‌ها تجمع می‌یابد.

آن‌ها سیستم CRISPR را مستقیماً با استفاده از یک ناقل ویروسی، یک ویروس اصلاح‌شده که می‌تواند وارد سلول‌ها شود اما برای بی‌ضرر بودن مهندسی شده است، به مغز رساندند. این بسته‌بندی تخصصی به محققان اجازه داد تا مناطقی را که بیشتر در HD تحت تأثیر قرار می‌گیرند، مانند استریاتوم و قشر مغز، هدف قرار دهند.

نتایج چشمگیر بود. سطح هانتینگتین جهش‌یافته ۶۰ تا ۹۰ درصد کاهش یافت و تجمعات تا ۹۰ درصد کاهش یافت. این تجمعات از ویژگی‌های بارز پاتولوژی HD هستند و کاهش آن‌ها نشان‌دهنده بهبود عمده در سطح سلولی است.

پس از درمان با CRISPR، ناهنجاری‌های راه رفتن بهبود یافت، هماهنگی حرکتی افزایش یافت و حرکات بیش‌فعال و تکراری کاهش یافت. فراتر از مغز، موش‌های تحت درمان کاهش وزن کمتری نشان دادند و طول عمرشان افزایش یافت و به طول عمر حیوانات سالم نزدیک شد.

یکی از دلگرم‌کننده‌ترین یافته‌ها این بود که CRISPR در مراحل مختلف بیماری مؤثر بود. تجویز سیستم CRISPR به موش‌ها قبل از شروع علائم منجر به پیشگیری قوی از مشکلات حرکتی شبیه HD و تجمعات کمتر شد. هنگامی که موش‌ها ناقل ویروسی را در ابتدای شروع علائم دریافت کردند، بهبودهای واضحی نشان دادند. اما حتی زمانی که پس از تثبیت علائم نیز تجویز شد، به نظر می‌رسید مزایای معناداری وجود دارد.

این نشان می‌دهد که حتی پس از شروع بیماری، هدف قرار دادن خود ژن HD همچنان می‌تواند تفاوت ایجاد کند.

نگاهی به آینده

این مطالعه نشان می‌دهد که ویرایش ژن هانتینگتین با یک سیستم CRISPR خودغیرفعال‌کننده می‌تواند پروتئین سمی را کاهش دهد، علائم را بهبود بخشد و طول عمر را در موش‌های HD افزایش دهد – حتی زمانی که درمان پس از شروع بیماری آغاز می‌شود. این نتایج پتانسیل ویرایش ژن را برای هدف قرار دادن ریشه اصلی بیماری هانتینگتون به روشی طولانی‌مدت برجسته می‌کند.

با این حال، چندین چالش کلیدی قبل از اینکه این رویکرد بتواند در انسان‌ها استفاده شود، باقی می‌ماند. اطمینان از ایمنی حیاتی است، زیرا ویرایش‌های ناخواسته DNA می‌تواند عواقب جدی در انسان داشته باشد. رساندن ابزارهای ویرایش ژن در سراسر مغز انسان – که حدود ۱۰۰۰ برابر بزرگتر از مغز موش است – نیز یک مانع بزرگ باقی می‌ماند. علاوه بر این، بیشتر افراد مبتلا به HD هم یک نسخه سالم و هم یک نسخه جهش‌یافته از ژن را حمل می‌کنند، بنابراین درمان‌ها باید به گونه‌ای توسعه یابند که فقط نسخه مضر را هدف قرار دهند. در نهایت، حرکت از آزمایش‌های موفق در موش‌ها به درمان‌های ایمن و مؤثر در انسان نیازمند بسیاری از مراحل علمی و نظارتی اضافی است.

در مجموع، این یافته‌ها گام مهمی رو به جلو هستند، در عین حال بر این نکته نیز تأکید می‌کنند که قبل از اینکه درمان‌های مبتنی بر CRISPR برای افراد مبتلا به HD به واقعیت تبدیل شوند، کارهای بیشتری لازم است.

خلاصه

• بیماری هانتینگتون ناشی از یک ژن معیوب واحد است – که آن را به یک کاندید قوی برای درمان‌های ویرایش ژن مانند CRISPR تبدیل می‌کند.
• محققان از «قیچی‌های مولکولی» CRISPR برای برش و مختل کردن مستقیم ژن جهش‌یافته هانتینگتین در مغز استفاده کردند.
• این تیم یک سیستم CRISPR خودغیرفعال‌کننده را توسعه داد که پس از ویرایش خود را خاموش می‌کند و ایمنی را بهبود می‌بخشد.
• این رویکرد سطح پروتئین سمی را تا ۹۰٪ کاهش داد و حرکت، رفتار و طول عمر را در موش‌های HD بهبود بخشید.
• مزایا حتی زمانی که درمان پس از شروع علائم انجام شد، مشاهده گردید، که پتانسیل درمان‌های طولانی‌مدت را که ریشه اصلی HD را هدف قرار می‌دهند، برجسته می‌کند.