فناوری کریسپر چیست؟

فناوری CRISPR ابزاری ساده اما قدرتمند برای ویرایش ژنوم است، اجازه می دهد تا محققان به راحتی توالی DNA را تغییر داده و عملکرد ژن را تغییر دهند.

به گزارش خبرگزاری علم و فناوری از فارس، فناوری CRISPR ابزاری ساده اما قدرتمند برای ویرایش ژنوم است، اجازه می دهد تا محققان به راحتی توالی DNA را تغییر داده و عملکرد ژن را تغییر دهند. بسیاری از کاربردهای بالقوه آن شامل تصحیح نقایص ژنتیکی ، معالجه و جلوگیری از شیوع بیماریها و بهبود محصولات زراعی است. با این حال ، احتمال نگرانی های اخلاقی را نیز برانگیخته است.

 

در کاربردهای رایج ، "CRISPR" (تلفظ "crisper") برای "CRISPR-Cas9"  مخفف است.

CRISPR ها بخشهای خاصی از DNA هستند. پروتئین Cas9 (یا "CRISPR مرتبط") آنزیمی است که مانند یک جفت قیچی مولکولی عمل می کند ، قادر به برش رشته های DNA است.

 

فناوری CRISPR از مکانیسمهای دفاعی طبیعی باکتریها و آرکیها (حوزه میکروارگانیسمهای تک سلولی) اقتباس شده است. این ارگانیسم ها از RNA مشتق شده از CRISPR و پروتئین های مختلف Cas از جمله Cas9 برای خنثی کردن حملات ویروس ها و سایر بدن های خارجی استفاده می کنند. آنها این کار را ابتدا با خرد کردن و از بین بردن DNA مهاجمین خارجی انجام می دهند. هنگامی که این مؤلفه ها به موجودات دیگر ، پیچیده تر موجودات زنده منتقل می شوند ، امکان دستکاری ژن ها یا "ویرایش" فراهم می شود.

 

تا سال 2017 ، هیچ کس واقعاً نمی دانست این روند به چه شکلی است. در مقاله ای که در تاریخ 10 نوامبر 2017 منتشر شد ، در ژورنال Nature Communications ، تیمی از محققان به سرپرستی Mikihiro Shibata از دانشگاه Kanazawa و Hiroshi Nishimasu از دانشگاه توکیو نشان دادند که ظاهراً وقتی CRISPR برای اولین بار در حال اقدام است چگونه می باشد.

 

 

CRISPR-Cas9  بازیکنان اصلی

CRISPRs: "CRISPR" مخفف "خوشه هایی است که به طور مرتب در تکرارهای پالیندرومی کوتاه به طور منظم از هم عبور می کنند". این یک ناحیه تخصصی از DNA با دو ویژگی مشخص است: وجود تکرارهای نوکلئوتیدی و فاصله دهنده ها. توالی های مکرر نوکلئوتیدها - بلوک های ساختاری DNA - در یک منطقه CRISPR توزیع می شوند. فاصله دهنده ها قطعه هایی از DNA هستند که در بین این توالی های مکرر متقاطع هستند.

 

در مورد باکتری ها ، فاصله دهنده ها از ویروس هایی گرفته می شوند که قبلاً به ارگانیسم حمله می کردند. آنها به عنوان یک بانک خاطره خدمت می کنند ، که باکتری ها را قادر می سازد ویروس ها را بشناسند و با حملات بعدی مبارزه کنند.

 

این نخستین بار به طور آزمایشی توسط Rodolphe Barangou و تیمی از محققان در Danisco ، یک شرکت مواد تشکیل دهنده مواد غذایی نشان داده شد. در مقاله ای که در سال 2007 در مجله Science منتشر شد ، محققان از باکتری های Streptococcus thermophilus که معمولاً در ماست و سایر لبنیات ها وجود دارد ، به عنوان مدل خود استفاده کردند. آنها مشاهده كردند كه پس از حمله ويروس ، فاصله دهنده هاي جديدي در منطقه CRISPR گنجانده شده اند. علاوه بر این ، توالی DNA این فاصله دهنده ها با بخش هایی از ژنوم ویروس یکسان بود. آنها همچنین با بیرون کشیدن یا قرار دادن توالی DNA جدید ویروس ، فاصله دهنده ها را دستکاری کردند. به این ترتیب ، آنها توانستند مقاومت باکتریها در برابر حمله ویروس خاص را تغییر دهند. بنابراین ، محققان تأیید كردند كه CRISPR ها در تنظیم ایمنی باکتری ها نقش دارند.

 

CRISPR RNA: هنگامی که یک فضا بکار رفته و ویروس دوباره حمله می کند ، بخشی از CRISPR در CRISPR RNA یا "CRRNA" رونویسی و پردازش می شود. دنباله نوکلئوتیدی CRISPR به عنوان یک الگوی برای تولید یک توالی تکمیلی از RNA تک رشته ای عمل می کند. براساس بررسی سال 2014 توسط جنیفر دودنا و امانوئل کارپنتیایر ، که در مجله Science منتشر شده است ، هر crRNA شامل یک تکرار نوکلئوتیدی و یک بخش فواصل است.

 

Cas9: پروتئین Cas9 آنزیمی است که DNA خارجی را کاهش می دهد

پروتئین به طور معمول به دو مولکول RNA متصل می شود: crRNA و دیگری به نام tracrRNA (یا "CRRNA فعال کننده ترانس"). سپس این دو Cas9 را به سمت سایت مورد نظر هدایت می كنند كه در آن برش خواهد خورد. این قسمت از DNA مکمل یک قطعه 20 نوکلئوتیدی از CRRNA است.

 

براساس مقاله Science 2014 ، Cas9 با استفاده از دو ناحیه جداگانه یا "دامنه" بر ساختار آن ، هر دو رشته DNA مارپیچ را قطع می کند و آنچه را به عنوان "شکست دو جداره" شناخته می شود ، می سازد.

 

یک مکانیسم ایمنی داخلی وجود دارد که تضمین می کند Cas9 فقط در هر مکانی ژنوم قطع نمی شود. توالی DNA کوتاه معروف به PAM ("نقوش مجاور protospacer") به عنوان برچسب عمل می کنند و در مجاورت دنباله DNA هدف قرار می گیرند. اگر مجتمع Cas9 یک PAM را در کنار توالی DNA هدف خود نبیند ، قطع نمی شود. براساس بررسی سال 2014 منتشر شده در طبیعت بیوتکنولوژی ، این یکی از دلایل احتمالی آن است که Cas9 هرگز به منطقه CRISPR در باکتری ها حمله نمی کند.

 

CRISPR-Cas9 به عنوان ابزاری برای ویرایش ژنوم

ژنوم ارگانیسم های مختلف یک سری پیام ها و دستورالعمل ها را در توالی DNA خود رمزگذاری می کنند. ویرایش ژنوم شامل تغییر آن توالی ها و در نتیجه تغییر پیام ها است. این کار می تواند با وارد کردن یک برش یا شکستن در DNA و فریب مکانیسم های ترمیم طبیعی DNA سلول برای معرفی تغییراتی که می خواهد باشد. CRISPR-Cas9 ابزاری برای انجام این کار فراهم می کند.

 

در سال 2012 ، دو مقاله مهم محوری در مجلات Science و PNAS منتشر شد که به تبدیل باکتری CRISPR-Cas9 به یک ابزار ویرایش ژنوم ساده و قابل برنامه ریزی کمک کرد.

 

مطالعات انجام شده توسط گروههای جداگانه نتیجه گرفتند كه Cas9 می تواند جهت برش هر ناحیه از DNA هدایت شود. این می تواند با تغییر توالی نوکلئوتیدی از CRRNA ، که به یک هدف DNA مکمل متصل می شود ، انجام شود. در مقاله Science 2012 ، مارتین جاینک و همکارانش سیستم را با ادغام crRNA و tracrRNA ساده تر کردند تا یک "RNA راهنما" ایجاد کنند. بنابراین ، ویرایش ژنوم فقط به دو مؤلفه نیاز دارد: یک RNA راهنما و پروتئین Cas9.

 

جورج كرچ ، استاد ژنتیك در دانشكده پزشکی هاروارد گفت: "از لحاظ عملیاتی ، شما كششی از 20 جفت پایه [نوكلئوتید] را طراحی می كنید كه با ژن مطابقت دارد. یک مولکول RNA مکمل آن 20 جفت پایه ساخته شده است. كرچك تأكيد كرد تا مطمئن شويم كه توالي نوكلئوتيد فقط در ژن هدف و هيچ جاي ديگر در ژنوم يافت نمي شود. وی توضیح داد: "سپس RNA به علاوه پروتئین [Cas9] - مانند یک جفت قیچی ، DNA را در آن مکان و در حالت ایده آل در هیچ جای دیگر قطع نمی کند."

پس از قطع DNA ، مکانیسم های ترمیم طبیعی سلول شروع به کار می کنند تا جهش ها یا تغییرات دیگری در ژنوم ایجاد شود. دو روش وجود دارد که می تواند اتفاق بیفتد. با توجه به پروژه هانتینگتون در بیرون از محل کار در استنفورد (دانشگاه) ، یک روش تعمیر شامل چسباندن دو برش به هم است. این روش ، که به "پیوستن به انتهای غیر همولوگ" معروف است ، تمایل دارد خطاهایی را معرفی کند. نوکلئوتیدها بطور تصادفی وارد یا حذف می شوند و در نتیجه جهش هایی ایجاد می شوند که می تواند یک ژن را مختل کند. در روش دوم ، شکست با پر کردن شکاف با دنباله ای از نوکلئوتیدها برطرف می شود. برای انجام این کار ، سلول از رشته کوتاه DNA به عنوان یک الگوی استفاده می کند. دانشمندان می توانند الگوی DNA مورد نظر خود را تهیه کنند ، از این طریق می توانند هر ژن مورد نظر خود را بنویسند یا یک جهش را اصلاح کنند.

 

ابزار و محدودیت ها

CRISPR-Cas9 در سالهای اخیر محبوبیت زیادی پیدا کرده است. کلیسا خاطرنشان می کند که این فناوری بسیار آسان است و تقریباً چهار برابر از بهترین ابزار ویرایش ژنوم قبلی (به نام TALENS) کارآمد است.

 

در سال 2013 ، اولین گزارش های استفاده از CRISPR-Cas9 برای ویرایش سلول های انسانی در یک محیط آزمایشی توسط محققان آزمایشگاه های کلیسا و فنگ ژانگ از انستیتوی گسترده موسسه فناوری ماساچوست و هاروارد منتشر شد. مطالعات انجام شده با استفاده از مدلهای آزمایشگاهی (آزمایشگاهی) و حیوانی بیماریهای انسانی نشان داده اند که این فناوری می تواند در اصلاح نقایص ژنتیکی مؤثر باشد. براساس یک مقاله مروری در سال 2016 که در ژورنال Nature Biotechnology منتشر شده است ، نمونه هایی از چنین بیماریهایی شامل فیبروز کیستیک ، آب مروارید و آنمی فانکونی است. این مطالعات راه را برای کاربردهای درمانی در انسان هموار می کند.

 

نویل سانانانا از مرکز ژنوم نیویورک و استادیار زیست شناسی ، علوم اعصاب و فیزیولوژی در دانشگاه نیویورک گفت: "من فکر می کنم درک عمومی از CRISPR بر ایده استفاده از ویرایش ژن به صورت بالینی برای درمان بیماری متمرکز است." "این بدون شک یک احتمال هیجان انگیز است ، اما این تنها یک قطعه کوچک است."

 

همچنین از فناوری CRISPR در صنایع غذایی و کشاورزی برای مهندسی فرهنگ پروبیوتیک و واکسیناسیون فرهنگ های صنعتی (برای مثال ماست) در برابر ویروس ها استفاده شده است. همچنین در محصولات زراعی برای بهبود عملکرد ، تحمل به خشکی و خواص تغذیه ای مورد استفاده قرار می گیرد.

 

یکی دیگر از کاربردهای بالقوه ایجاد درایوهای ژن است. اینها سیستم های ژنتیکی هستند که شانس صفت خاصی از پدر و مادر به فرزندان را افزایش می دهد. سرانجام ، طی طی نسل ها ، این صفت در تمام جمعیت گسترش می یابد. براساس مقاله طبیعت بیوتکنولوژی 2016 ، درایوهای ژن می توانند در کنترل شیوع بیماریهایی مانند مالاریا در تقویت نازایی در وکتور بیماری - ماده پشه های زن Anopheles gambiae - کمک کنند. علاوه بر این ، مطابق مقاله سال 2014 توسط کنت اوه و همکارانش ، که در مجله Science منتشر شده است ، می توان از درایوهای ژن نیز برای ریشه کن کردن گونه های تهاجمی و معکوس مقاومت به سموم دفع آفات و علف کش استفاده کرد.

 

با این حال ، CRISPR-Cas9 اشکالاتی ندارد

چرچس به Live Science Science گفت: "من فکر می کنم بزرگترین محدودیت CRISPR این است که صددرصد کارآمد نیست." علاوه بر این ، کارایی ویرایش ژنوم می تواند متفاوت باشد. طبق مقاله Science 2014 توسط Doudna و Charpentier ، در مطالعه ای که در برنج انجام شده است ، ویرایش ژن در تقریباً 50 درصد سلولهایی که مجتمع Cas9-RNA را دریافت کرده اند ، رخ داده است. در حالی که ، تجزیه و تحلیلهای دیگر نشان داده اند که بسته به هدف ، کارآیی ویرایش می تواند به 80 درصد یا بیشتر برسد.

 

همچنین پدیده "اثرات خارج از هدف" وجود دارد که DNA در مکانهایی غیر از هدف مورد نظر بریده می شود. این می تواند به معرفی جهش های ناخواسته منجر شود. بعلاوه ، كرچ خاطرنشان كرد كه حتی هنگام كاهش سیستم در هدف ، احتمال عدم دستیابی به ویرایش دقیق وجود دارد. وی این را "خرابکاری ژنوم" نامید.

 

ترجمه از مهندس محمد رحمانی

منبع سایت LIVE SCIENCE

انتهای پیام/

زمان انتشار: چهارشنبه ۳۱ اردیبهشت ۱۳۹۹ - ۰۸:۳۰:۰۰

شناسه خبر: 88047

مطالب مرتبط :
تقویت ژنتیکی گوشت در آزمایشگاه با مواد مغذی گیاهی

در جدیدترین تحقیقات دانشمندان بررسی شد:

تقویت ژنتیکی گوشت در آزمایشگاه با مواد مغذی گیاهی

ده ها میلیون نفر در سراسر جهان از کمبود ویتامین A رنج می برند. کمبود تغذیه یک مشکل به ویژه در کودکان است، زیرا هر سال حدود نیم میلیون کودک بینایی خود را به دلیل کمبود تغذیه از دست می دهند. سلول های گوشتی پرورشی در آزمایشگاه به طور ژنتیکی اصلاح شده تا بتا کاروتن را که یک ترکیب پیش ساز متابولیزه است به ویتامین A در بدن انسان تبدیل کند.

دیدگاه ها و نظرات :
نام کامل وارد شود
دقیق و صحیح وارد شود
لطفا فارسی و خوانا باشد
captcha
ارسال
اشتراک گذاری مطالب