متوقف کردن گلوله برفی ژنتیکی: چگونه یک وقفه ژنتیکی ساده، بیماری هانتینگتون را کند می‌کند

در حالی که تغییر ژنتیکی که باعث بیماری هانتینگتون (HD) می‌شود، مشکلات متعددی را برای سلول‌ها ایجاد می‌کند، محققان معتقدند که این مشکلات می‌تواند از یک مسئله اصلی ناشی شود: افزایش طول تغییر ژنتیکی به مرور زمان، مانند گلوله برفی که با غلتیدن به پایین تپه جرم بیشتری پیدا می‌کند. این پدیده ژنتیکی، که به عنوان ناپایداری سوماتیک یا بسط سوماتیک شناخته می‌شود، به نظر می‌رسد عامل اصلی پیشرفت بیماری باشد. در یک مطالعه اخیر، دانشمندان نوع جدیدی از CRISPR، یک ابزار قدرتمند ویرایش ژن، را برای قطع این بسط ژنتیکی توسعه دادند که به طور بالقوه راه را برای فرصت‌های درمانی جدید هموار می‌کند.

یک گلوله برفی ژنتیکی

HD ناشی از تغییری در ژنی به نام HTT است، به طور خاص در جایی که حروف ژنتیکی C-A-G چندین بار تکرار می‌شوند. در افراد مبتلا به HD، این بخش CAG طولانی‌تر از حد طبیعی است و یک واکنش زنجیره‌ای مرگبار را در داخل سلول‌های مغزی آغاز می‌کند. برخلاف بیشتر جهش‌ها که در طول زندگی ثابت می‌مانند، تکرارهای CAG در HTT با افزایش سن طولانی‌تر می‌شوند، مانند گلوله برفی که با غلتیدن به پایین تپه سرعت می‌گیرد.

در بدو تولد، بیشتر افراد مبتلا به HD حدود ۴۰ تا ۵۰ تکرار CAG در ژن HTT خود دارند. به مرور زمان، این تعداد به طور تصاعدی در داخل سلول‌ها افزایش می‌یابد، گاهی اوقات تا زمان بروز علائم از ۵۰۰ تکرار فراتر می‌رود! اگر تکرار اولیه بالاتر از یک آستانه بحرانی (۳۶ تکرار) باشد، بسط به مرور زمان به نوعی گلوله برفی ژنتیکی تبدیل می‌شود و شروع به رشد خارج از کنترل می‌کند.

با این حال، HD تنها نیست؛ این بیماری به دسته گسترده‌تری از بیماری‌ها به نام اختلالات تکرار سه‌نوکلئوتیدی تعلق دارد – یک اصطلاح فانتزی برای ۳ (سه‌گانه) حرف ژنتیکی (نوکلئوتید) که تکرار می‌شوند (تکرار – خب این یکی واضح بود…). همه این اختلالات مشکل مشابهی با جهش‌های گلوله برفی دارند. یک نمونه از این موارد آتاکسی فردریش است که توسط تکرار CTG در حال رشد هدایت می‌شود که آن نیز به مرور زمان بدتر می‌شود.

مشاهده اینکه چندین بیماری مغزی ناشی از تکرار سه‌نوکلئوتیدی در حال رشد هستند، یک سوال کلیدی را مطرح می‌کند: چرا توالی‌های سه‌نوکلئوتیدی در حال رشد برای سلول‌های مغزی اینقدر سمی هستند؟ به طور معمول، ژن‌هایی مانند HTT برای تولید RNA پیام‌رسان، که mRNA نیز نامیده می‌شود، یک کپی موقت از DNA که برای ساخت پروتئین‌ها، ماشین‌های سلول، استفاده می‌شود. با این حال، تکرارهای سه‌نوکلئوتیدی طولانی باعث می‌شوند RNA به گره‌های فوق‌العاده درهم‌پیچیده و پایدار تبدیل شود و ماشین‌آلات پروتئین‌سازی سلول را مسدود کند. با طولانی‌تر و فراوان‌تر شدن این RNAهای درهم‌پیچیده، آنها به طور فزاینده‌ای تولید پروتئین را مختل می‌کنند و در نهایت به مرگ سلولی کمک می‌کنند.

قطع ناپایداری

چه می‌شد اگر راهی برای شکستن این اثر گلوله برفی قبل از اینکه از کنترل خارج شود، وجود داشت؟ دانشمندان دانشگاه هاروارد، به رهبری دکتر دیوید لیو، فرض کردند که می‌توانند توالی تکراری CAG را با جایگزینی یکی از CAGها با یک توالی CAA مشابه، اما بی‌ضرر، قطع کنند.

با قطع تکرارهای CAG، حتی با یک توالی CAA مشابه، مسیر زیربنایی که منجر به رشد CAGها با افزایش سن می‌شود، ممکن است مسدود شود! به عبارت دیگر، وارد کردن یک توالی CAA مانند قرار دادن تکه‌ای سنگ روی تپه است که باعث می‌شود گلوله برفی به آنها برخورد کند و شتاب خود را از دست بدهد!

لیو و تیمش از تحقیقات قبلی الهام گرفتند که نشان می‌داد وقفه‌های CAA به نظر می‌رسد شروع بیماری را به تاخیر می‌اندازند. به طور معمول، تعداد تکرارهای CAG به شدت زمان بروز HD را پیش‌بینی می‌کند، اما مطالعات ژنتیکی افرادی را با تکرارهای طولانی اما سنین شروع بیماری به تاخیر افتاده شناسایی کردند.

با بررسی دقیق‌تر، مشخص شد که این موارد ژنتیکی غیرعادی حاوی وقفه‌های کوتاه CAA در بخش CAG خود هستند. به طرز شگفت‌انگیزی، این وقفه‌های ساده با ۱۲ سال تاخیر در شروع بیماری مرتبط بودند! لیو و تیمش با انگیزه از این مشاهدات، از خود پرسیدند که آیا می‌توانند به طور عمدی توالی‌های CAA را به سلول‌های دارای ژن HD وارد کنند و آیا این می‌تواند اثر محافظتی را بازسازی کند.

CRISPR گلوله برفی را می‌شکند

تغییرات ژنتیکی دقیق، مانند جایگزینی CAG با CAA، در تئوری ساده هستند، اما در عمل بسیار چالش‌برانگیز. لیو و تیمش به CRISPR روی آوردند، ابزاری برای ویرایش ژن که مانند قیچی مولکولی برای تغییر توالی‌های خاص DNA عمل می‌کند. آنها نوع خاصی از CRISPR به نام ویرایش پایه را توسعه دادند که به دنبال تکرارهای CAG می‌گردد و برخی از آنها را با CAA جایگزین می‌کند.

با استفاده از سلول‌های انسانی که در ظروف پتری رشد می‌کردند، آنها دریافتند که استراتژی ویرایش پایه CRISPR آنها با موفقیت تکرار CAG HTT را در حدود ۸۰٪ از سلول‌ها تغییر داده است، بدون هیچ نشانه‌ای از سمیت. حتی امیدوارکننده‌تر اینکه، آنها دریافتند این وقفه‌های ساده CAA به نظر می‌رسد بسط تکرار CAG را پس از ۳۰ روز متوقف کرده‌اند. آنها حتی متوجه شدند که سلول‌های ویرایش‌شده با CRISPR به نظر می‌رسد سریع‌تر رشد می‌کنند و سالم‌تر به نظر می‌رسند!

از آنجایی که این نوع CRISPR همه تکرارهای CAG (نه فقط آنهایی که در HTT هستند) را هدف قرار می‌دهد و وقفه‌های CAA را نیز در آنها وارد می‌کند، آنها نیاز داشتند تأیید کنند که ژن‌های دیگر به طور تصادفی مختل نشده‌اند. در مجموع، آنها حدود ۲۵۰ ژن دیگر را یافتند که توسط CRISPR تغییر کرده بودند، احتمالاً به این دلیل که حاوی تکرارهای CAG مشابه بودند. با این حال، تنها حدود ۵۰ مورد از آنها در سلول‌های مغزی فعال هستند و فقط یک مورد به طور قابل توجهی مختل شده بود. در حالی که این یافته خطر را رد نمی‌کند، اما نشان می‌دهد که ویرایش‌های ناخواسته بعید است مشکلات جدی ایجاد کنند. صرف نظر از این، به حداقل رساندن ویرایش‌های تصادفی اولویت اصلی در آینده خواهد بود!

قطع CAGها با CRISPR

اکنون چالش بزرگ فرا می‌رسد: آیا تیم می‌تواند ماشین‌آلات CRISPR را به سلول‌های مغز زنده برساند و توالی‌های CAG را با موفقیت ویرایش کند؟ تیم لیو از یک مدل موش HD استفاده کرد که ۱۱۰ تکرار CAG در ژن HTT خود دارد و این تکرار با افزایش سن موش‌ها به سرعت رشد می‌کند (ناپایداری تکرار). برای رساندن CRISPR به مغز، تیم CRISPR را در یک ویروس بی‌ضرر بسته‌بندی کرد که مانند یک سرویس تحویل ژن عمل می‌کند و ابزارهای ویرایش ژنتیکی را مستقیماً به سلول‌ها تزریق می‌کند.

چهار هفته پس از تزریق ویروس‌های حاوی CRISPR به موش‌ها، محققان دریافتند که حدود ۳۰٪ از سلول‌ها به نظر می‌رسد ابزار ویرایش ژن را جذب کرده‌اند. از ۳۰٪ سلول‌های حاوی CRISPR، حدود ۷۵٪ به نظر می‌رسید حداقل یک وقفه CAA در ژن HTT خود داشتند. این بدان معناست که حدود ۱ از هر ۵ سلول مغزی با موفقیت تغییر ژنتیکی محافظتی را دریافت کرده است – کامل نیست، اما شروعی امیدوارکننده است! پس از ۱۲ هفته دیگر، محققان طول تکرارهای CAG را بررسی کردند و دریافتند که بسط نه تنها متوقف شده است، بلکه برخی از تکرارهای CAG حتی ممکن است کوتاه شده باشند!

برای بررسی اینکه آیا رویکرد آنها فراتر از HD کار می‌کند، محققان آزمایشات خود را در مدل‌های سلولی و موشی آتاکسی فردریش، یک اختلال بسط تکرار دیگر، تکرار کردند. به طرز هیجان‌انگیزی، آنها نتایج مشابهی را مشاهده کردند: تا ۵۵٪ از سلول‌های مغزی به نظر می‌رسید حاوی وقفه‌های تکرار بودند و تکرارها در طول زمان پایدار به نظر می‌رسیدند و هیچ نشانه‌ای از بسط با افزایش سن نشان نمی‌دادند.

آیا CRISPR یخ را می‌شکند؟

در مجموع، این یافته‌ها به نظر می‌رسد نشان می‌دهند که بسط تکرار گلوله برفی در HTT می‌تواند متوقف شود و این رویکرد حتی ممکن است برای سایر اختلالات تکرار نیز کاربرد داشته باشد. با این حال، چند دلیل برای احتیاط وجود دارد. این مطالعه بر این متمرکز بود که آیا CRISPR می‌تواند وقفه‌های CAA را وارد کند و رشد تکرار را متوقف کند، اما ارزیابی نکرد که آیا این مداخله علائم را بهبود می‌بخشد یا بیماری را به تاخیر می‌اندازد. دانستن تأثیر این نوع رویکرد درمانی بر علائم و نشانه‌های HD برای تعیین اینکه آیا باید به جلو حرکت کند، ضروری است.

علاوه بر این، کاهش تغییرات ناخواسته در ژن‌های غیر از HTT قبل از ورود به آزمایشات انسانی حیاتی خواهد بود. مسئله دیگر تحویل است – مغز انسان‌ها بسیار بزرگتر از مغز موش‌ها است و رساندن CRISPR به تعداد کافی از سلول‌های مغزی برای ایجاد تفاوت، به ویژه چالش‌برانگیز خواهد بود.

صرف نظر از این محدودیت‌های فعلی، این نتایج گام بزرگی رو به جلو هستند. با پیشرفت در دقت ویرایش ژن و روش‌های تحویل مؤثرتر، CRISPR احتمالاً به ابزاری قدرتمند در مبارزه با HD و سایر بیماری‌های تکرار سه‌نوکلئوتیدی تبدیل خواهد شد.

خلاصه: نکات کلیدی

• مشکل: HD ناشی از جهشی در ژن HTT است، جایی که تکرارهای CAG به مرور زمان رشد می‌کنند، فرآیندی که بسط سوماتیک نامیده می‌شود. این «گلوله برفی ژنتیکی» به نظر می‌رسد عملکرد سلول‌های مغزی را بدتر کرده و پیشرفت بیماری را تسریع می‌کند.
• بینش: حتی یک وقفه کوچک در توالی تکراری، مانند جایگزینی CAG با یک CAA مشابه و بی‌ضرر، ممکن است بتواند بسط را کند یا متوقف کند و شروع علائم را به تاخیر بیندازد.
• پیشرفت: دانشمندان از ابزار CRISPR اصلاح‌شده (به نام ویرایش پایه) برای وارد کردن این وقفه‌های CAA بالقوه محافظتی به ژن HTT استفاده کردند.
• در آزمایشگاه: در سلول‌های انسانی، ویرایش پایه CRISPR در حدود ۸۰٪ از سلول‌ها کار کرد و به نظر می‌رسید بسط را متوقف کرده و سلامت سلول را بهبود بخشیده است.
• در موش‌ها: پس از تحویل CRISPR از طریق تزریق ویروسی، حدود ۲۰٪ از سلول‌های مغزی تغییرات محافظتی داشتند و تکرارهای CAG به نظر می‌رسید رشدشان متوقف شده است.
• امتیاز ویژه: موفقیت مشابهی در مدل‌های موشی یک اختلال تکرار دیگر، آتاکسی فردریش، مشاهده شد.
• نکته: کارهای بیشتری برای موارد زیر لازم است:
  • اثبات بهبود علائم
  • به حداقل رساندن اثرات ناخواسته
  • افزایش مقیاس تحویل به مغز بسیار بزرگتر انسان
• چرا مهم است: این کار نشان می‌دهد که CRISPR می‌تواند برای قطع بسط تکرار در بافت زنده مغز استفاده شود و امید واقعی برای درمان HD و اختلالات ژنتیکی مشابه ارائه می‌دهد.

اطلاعات بیشتر

مقاله تحقیقاتی اصلی، «ویرایش پایه تکرارهای سه‌نوکلئوتیدی که باعث بیماری هانتینگتون و آتاکسی فردریش می‌شوند، بسط تکرارهای سوماتیک را در سلول‌های بیماران و در موش‌ها کاهش می‌دهد» (دسترسی آزاد).