تحرير الجينات يأخذ قفزة عملاقة إلى الأمام

بحلول عام 2015 ، انتقل تحرير الجينات - القدرة على تغيير قواعد محددة في تسلسل الحمض النووي لكائن حي ، وتخصيص تكوينه الجيني بشكل أساسي - من محاولة مختبرية معقدة وغير فعالة إلى أعتاب التطبيق السريري. لم يكن التقدم ، الذي تم تمكينه بواسطة أداة جزيئية تعرف باسم CRISPR-Cas9 ، أقل من الأنفاس. ومع ذلك ، فإن هذه التكنولوجيا القوية ، التي اخترعتها العالمة الأمريكية جنيفر دودنا والعالمة الفرنسية إيمانويل شاربينتيير وصقلتها الباحثة الأمريكية فنغ زانغ وزملاؤها ، جلبت أيضًا إلحاحًا جديدًا للمناقشات طويلة الأمد حول الآثار الأخلاقية والاجتماعية المحيطة بالهندسة الوراثية البشر. تم طرح العديد من الأسئلة ، مثل ما إذا كان ينبغي استخدام التحرير الجيني لعلاج الأمراض البشرية أو لتغيير السمات مثل الجمال أو الذكاء ، بشكل أو بآخر لعقود. ومع ذلك ، لم تعد هذه الأسئلة نظرية ، وكان للإجابات عليها آثار حقيقية جدًا على علم الوراثة البشرية.

المحاولات المبكرة لتصحيح الأخطاء الجينية.

تم تقديم تقنية CRISPR-Cas9 في عام 2012 ، لكن فكرة استخدام التحرير الجيني لعلاج الأمراض أو تغيير السمات كانت أقدم بكثير ، تعود على الأقل إلى الخمسينيات واكتشاف الحمض النووي. في منتصف القرن العشرين من اكتشاف الاكتشافات الجينية ، أدرك الباحثون أن تسلسل القواعد في الحمض النووي ينتقل (في الغالب) بإخلاص من الوالد إلى الأبناء وأن التغييرات الصغيرة في التسلسل يمكن أن تعني الفرق بين الصحة والمرض. أدى التعرف على هذا الأخير إلى التخمين الذي لا مفر منه أنه مع تحديد "الأخطاء الجزيئية" التي تسبب الأمراض الوراثية سيأتي الوسائل لإصلاح هذه الأخطاء وبالتالي تمكين الوقاية أو عكس المرض. كانت هذه الفكرة هي الفكرة الأساسية وراء العلاج الجيني ، ومنذ الثمانينيات كان يُنظر إليها على أنها كأس مقدسة في علم الوراثة الجزيئي.

ومع ذلك ، كان تطوير تكنولوجيا تحرير الجينات للعلاج الجيني معركة شاقة شديدة. ركز الكثير من التقدم المبكر ليس على تصحيح الأخطاء الجينية في الحمض النووي ، بل بالأحرى على محاولة تقليل عواقبها عن طريق توفير نسخة وظيفية من الجين المتحور ، إما إدخالها في الجينوم أو الاحتفاظ بها كوحدة خارج الصبغية (خارج الجينوم). وبينما كان هذا النهج فعّالًا لبعض الشروط ، إلا أنه كان صعبًا ومحدود النطاق.

من أجل تصحيح الأخطاء الوراثية حقًا ، كان على الباحثين أن يكونوا قادرين على إنشاء كسر مزدوج في جديلة الحمض النووي في الموقع المطلوب بالضبط في أكثر من ثلاثة مليارات زوج من القواعد التي تشكل الجينوم البشري. بمجرد إنشائه ، يمكن للخلية أن تقوم بإصلاح الكسر مزدوج الجدائل بكفاءة. ومع ذلك ، لم يكن من السهل إجراء الاستراحة الأولية في الموقع الدقيق - وفي أي مكان آخر - داخل الجينوم.

كسر الحمض النووي في المواقع المطلوبة.

قبل ظهور CRISPR-Cas9 ، تم استخدام طريقتين لعمل فواصل مزدوجة الجديلة في موقع معين من الحمض النووي: أحدهما يعتمد على نوكليازات إصبع الزنك (ZFNs) والآخر يعتمد على نوكليازات مستحثات تشبه المنشطات (TALENs). ZFNs هي بروتينات دمج تتكون من مجالات ربط الحمض النووي التي تتعرف على وتربط تسلسلات محددة من 3 إلى 4 أزواج من القاعدة. إن منح الخصوصية لتسلسل هدف مكون من 9 أزواج أساس ، على سبيل المثال ، سيتطلب ثلاثة نطاقات ZFN مدمجة بالترادف. يتم أيضًا دمج ترتيب مجالات ربط الحمض النووي في تسلسل يشفر وحدة فرعية للنوكلياز البكتيرية Fok1. يتطلب تيسير قطع مزدوج الخيط في موقع معين هندسة بروتينَي اندماج ZFN - أحدهما للربط على كل جانب من الموقع المستهدف ، على خيوط DNA المقابلة. عندما يكون كل من ZFNs مرتبطين ، ترتبط الوحدات الفرعية Fok1 ، كونها على مقربة ، ببعضها البعض لتشكيل باهت نشط يقطع الحمض النووي المستهدف على كلا الشريطين.

تم تصميم بروتينات الاندماج TALEN لربط تسلسلات معينة من الحمض النووي التي تحيط بموقع مستهدف. ولكن بدلاً من استخدام مجالات أصابع الزنك ، تستخدم TALENs مجالات ربط الحمض النووي المستمدة من البروتينات من مجموعة من مسببات الأمراض النباتية. لأسباب فنية ، فإن هندسة TALENs أسهل من ZFNs ، خاصة بالنسبة لمواقع التعرف الأطول. مثل ZFNs ، تحمل TALENs نطاق Fok1 مدمجًا في منطقة ربط الحمض النووي المهندسة ، لذلك بمجرد ربط الموقع المستهدف على كلا الجانبين ، يمكن للنوكلياز Fok1 ذي الحجم المنخفض تقديم استراحة مزدوجة الجدولة في الموقع المطلوب.

على عكس ZFNs و TALENs ، يستخدم CRISPR-Cas9 التعرف على تسلسل RNA-DNA ، بدلاً من ربط البروتين DNA ، لتوجيه نشاط النيوكلياز ، الذي يبسط تصميمه ويتيح تطبيقه على مجموعة واسعة من التسلسلات المستهدفة. تم اشتقاق CRISPR-Cas9 من أجهزة المناعة التكيفية للبكتيريا. يشير اختصار CRISPR إلى التكرارات قصيرة المدى المتداخلة المتداخلة المنتظمة والموجودة في معظم الجينومات البكتيرية. بين التكرارات متناظرة قصيرة هي امتدادات تسلسل مستمدة بوضوح من جينومات مسببات الأمراض البكتيرية. تم العثور على الفواصل "الأقدم" في الطرف البعيد من العنقود ، وتم العثور على الفواصل "الأحدث" التي تمثل مسببات الأمراض التي تم اكتشافها مؤخرًا بالقرب من الطرف القريب من العنقود.

ينتج عن نسخ منطقة كريسبر إنتاج "RNAs" صغيرة تشتمل على تكوينات دبوس الشعر من التكرارات المتناظرة المرتبطة بالتتابعات المشتقة من الفواصل ، مما يسمح لكل منها بالالتزام بهدفه المقابل. ثم يتشكل ثنائي الوراثة غير المتجانسة في الحمض النووي الريبي (DNA) ثم يتحد مع نوكلياز يسمى Cas9 ويوجهه لتحفيز انقسام الحمض النووي مزدوج الخيط في موضع بالقرب من تقاطع التسلسل المحدد للهدف وتكرار متغير في الدليل RNA. لأن RNA-DNA heteroduplexes مستقرة ، ولأن تصميم تسلسل RNA الذي يرتبط على وجه التحديد بتسلسل DNA الهدف الفريد يتطلب معرفة فقط بقواعد الاقتران الأساسي Watson-Crick (A يرتبط بـ T [أو U في RNA] ، و C يربط إلى G) ، كان نظام CRISPR-Cas9 أفضل من تصميمات بروتين الاندماج المطلوبة لاستخدام ZFNs أو TALENs.

التطبيقات والخلافات.

بحلول عام 2015 ، تم تطبيق CRISPR-Cas9 على الأجنة المبكرة لإنشاء كائنات معدلة وراثيًا. كما تم حقن كريسبر- Cas9 في مجرى الدم في حيوانات المختبر لتحقيق تحرير جيني كبير في مجموعة فرعية من الأنسجة. تم استخدام المناهج القائمة على CRISPR-Cas9 لتعديل جينومات نباتات المحاصيل وحيوانات المزرعة والكائنات النموذجية المختبرية ، بما في ذلك الفئران والجرذان والرئيسيات غير البشرية. مكن النظام من إنشاء نماذج حيوانية للأمراض البشرية وإزالة فيروس نقص المناعة البشرية من الخلايا المصابة. في نموذج فأر لمرض بشري ، تم استخدام CRISPR-Cas9 لتصحيح الخطأ الجيني بنجاح ، مما أدى إلى الإنقاذ السريري للفئران المريضة. وبدا أن هناك القليل من القيود التقنية التي لا يمكن التغلب عليها لتحرير جين CRISPR-Cas9 ، إن وجدت.

في عام 2015 ، دعت مجموعة من العلماء الذين ضموا دودنا إلى ضبط النفس في تطبيق تقنية CRISPR-Cas9 على البشر ، على الأقل حتى يمكن النظر في السلامة والآثار الأخلاقية لتحرير الجينات البشرية بشكل مناسب. نصح باحثون آخرون بنهج "الدفع الكامل للأمام" ، بحجة أن التكنولوجيا الجديدة هي المفتاح لتخفيف الكثير من المعاناة الإنسانية وأن حجبها سيكون غير أخلاقي. في أواخر أبريل ، أصدر فرانسيس كولينز ، مدير المعاهد الوطنية الأمريكية للصحة (NIH) ، بيانًا أعلن فيه أن المعاهد NIH ستواصل تمويل الأبحاث التي تشمل أنظمة تحرير الجينات ، بما في ذلك CRISPR-Cas9 ؛ ومع ذلك ، فإن NIH لن تمول الأبحاث التي تضمنت التحرير الجيني للأجنة البشرية. ومع ذلك ، في أوائل شهر مايو ، كانت التقارير تظهر بالفعل من الصين لتجارب تحرير الجينات على الأجنة البشرية. من الواضح أنه سيتم استخدام تحرير الجينات CRISPR-Cas9 ، على الأقل في بعض البلدان ، لتعديل الجينوم البشري. واعتبرت النتائج الإيجابية والسلبية لتلك الأنشطة بمثابة إمكانية لإعادة تعريف مستقبل علم الوراثة البشرية.