ابزار جدید ویرایش ژن دقیق MIT می تواند پزشکی را تغییر دهد

محققان MIT اکنون با اصلاح پروتئین های کلیدی که روند ویرایش را هدایت می کنند ، راهی برای کاهش چشمگیر این خطاها کشف کرده اند. آنها معتقدند که این پیشرفت می تواند ژن درمانی را در درمان طیف گسترده ای از بیماری ها ایمن تر و کاربردی تر کند.

“این مقاله رویکرد جدیدی را برای ویرایش ژن بیان می کند که سیستم تحویل را پیچیده نمی کند و اقدامات دیگری را اضافه نمی کند ، اما منجر به تنظیم دقیق تر با کمتر جهش ناخواسته می شود.”

با استفاده از روش بهبود یافته خود ، تیم MIT میزان خطا را در ویرایش اصلی تقریباً از یک در هفت ویرایش به حدود یک در ۱۰۱ برای رایج ترین نوع ویرایش ها کاهش داد. در یک حالت ویرایش دقیق تر ، این پیشرفت از یک در ۱۲۲ به یک در ۵۴۳ انجام شد.

رابرت لانگر ، استاد مؤسسه دیوید اچ کوچ در MIT ، عضو مؤسسه کوچ و یکی از نویسندگان ارشد مطالعه جدید می گوید: “برای هر دارویی ، شما می خواهید چیزی مؤثر باشد اما تا حد امکان عوارض جانبی داشته باشد.” “برای هر بیماری که می توانید ویرایش ژنوم را انجام دهید ، فکر می کنم این در نهایت راهی امن تر و بهتر برای انجام آن خواهد بود.”

دانشمند تحقیقات موسسه کوچ ویکاش چاوهان رهبری مطالعه اخیراً منتشر شده است. ذاتبشر

خطای

اولین مطالعات ژن درمانی در دهه ۱۹۹۰ به درج ژنهای جدید در سلول ها با استفاده از ویروس های اصلاح شده متکی بود. بعداً ، دانشمندان تکنیک هایی را ایجاد کردند که از آنزیم هایی مانند هسته های انگشت روی برای ترمیم مستقیم ژن ها استفاده می کنند. این آنزیم ها کار می کردند اما پیکربندی مجدد برای اهداف جدید DNA دشوار بود و باعث می شود آنها آهسته و دست و پا گیر شوند.

کشف سیستم CRISPR در باکتری ها همه چیز را تغییر داد. CRISPR از آنزیمی به نام CAS9 استفاده می کند ، با هدایت یک قطعه RNA ، برای برش DNA در یک مکان خاص. محققان آن را برای حذف توالی های DNA معیوب یا اضافه کردن موارد اصلاح شده با استفاده از یک الگوی مبتنی بر RNA سازگار کردند و ویرایش ژن را سریعتر و انعطاف پذیر تر کردند.

در سال ۲۰۱۹ ، دانشمندان موسسه MIT Broad و هاروارد ویرایش نخست را معرفی کردند ، نسخه جدیدی از CRISPR که دقیق تر است و احتمال تأثیر آن بر مناطق ناخواسته ژنوم تأثیر می گذارد. اخیراً ، از تنظیم اولیه با موفقیت برای درمان بیمار مبتلا به بیماری مزمن گرانولوماتوز (CGD) استفاده شده است ، یک بیماری نادر که باعث تضعیف گلبول های سفید می شود.

چاوهان می گوید: “در اصل ، این فناوری می تواند برای حل صدها بیماری ژنتیکی با اصلاح مستقیم جهش های کوچک در سلول ها و بافت ها استفاده شود.”

یکی از مزایای ویرایش اصلی این است که نیازی به برش دو رشته ای در DNA هدف ندارد. در عوض ، از یک نسخه اصلاح شده از CAS9 استفاده می کند که فقط یکی از رشته های مکمل را کاهش می دهد و دریچه ای را باز می کند که می توان دنباله جدیدی را در آن قرار داد. RNA راهنما با ویرایشگر اصلی به عنوان الگوی دنباله جدید خدمت می کند.

یکی از دلایلی که ویرایش اولیه ایمن تر تلقی می شود این است که هر دو رشته DNA را قطع نمی کند. در عوض ، از آنزیم اصلاح شده CAS9 برای ساختن یک برش صاف و صاف تر استفاده می شود. این یک دریچه کوچک در DNA باز می کند که در آن می توان یک توالی اصلاح شده جدید را تحت هدایت یک الگوی RNA وارد کرد.

هنگامی که توالی تصحیح شده اضافه می شود ، باید رشته DNA اصلی را جایگزین کند. اگر در عوض نخ قدیمی دوباره به هم وصل شود ، قطعه جدید گاهی اوقات می تواند در یک نقطه اشتباه به پایان برسد و منجر به خطاهای ناخواسته شود.

بیشتر این خطاها بی ضرر هستند ، اما در موارد نادر می توانند به رشد تومور یا سایر مشکلات سلامتی کمک کنند. در سیستم های ویرایش Prime فعلی ، بسته به حالت ویرایش ، میزان خطا تقریباً از یک در هفت ویرایش به یک در ۱۲۱ ویرایش می تواند باشد.

چاهان می گوید: “فن آوری هایی که اکنون داریم واقعاً بسیار بهتر از ابزارهای ژن درمانی قبلی هستند ، اما همیشه این احتمال وجود دارد که این پیامدهای ناخواسته رخ دهد.”

ویرایش دقیق

برای کاهش این نرخ خطا ، تیم MIT تصمیم گرفت از پدیده ای که در یک مطالعه انجام شده در سال ۲۰۲۳ مشاهده کرده است استفاده کند. در این مقاله ، آنها دریافتند که در حالی که CAS9 به طور کلی هر بار همان مکان DNA را کاهش می دهد ، برخی از نسخه های جهش یافته پروتئین آرامش این محدودیت ها را نشان می دهند. این پروتئین های CAS9 به جای اینکه همیشه در همان مکان برش می خورند ، گاهی اوقات یک پایه یا دو را در امتداد دنباله DNA برش می دهند.

محققان دریافتند که این آرامش باعث می شود رشته های DNA قدیمی پایدارتر باشد ، بنابراین آنها تجزیه می شوند و باعث می شوند بدون ایجاد خطایی ، رشته های جدید ترکیب شوند.

در مطالعه جدید ، محققان توانستند جهش CAS9 را شناسایی کنند که میزان خطا را به ۱/۲۰ از ارزش اصلی آن کاهش می دهد. آنها سپس این جفت جهش ها را برای ایجاد یک ویرایشگر CAS9 ترکیب کردند که باعث کاهش بیشتر میزان خطا شد ، به ۱/۳۶ مقدار اصلی.

برای دقیق تر شدن ویراستاران ، محققان پروتئین های جدید CAS9 را در یک سیستم ویرایش کارشناسی ارشد با یک پروتئین اتصال دهنده RNA که انتهای الگوی RNA را به طور کارآمدتر تثبیت می کند ، وارد کردند. این ویرایشگر نهایی ، که محققان آن را VPE نامیدند ، فقط ۱/۶۰ از اصلی را خطایی داشتند ، از یک در ۱۰۱ ویرایش تا یک در ۵۴۳ ویرایش برای حالت های مختلف ویرایش. این آزمایشات در سلولهای موش و انسانی انجام شد.

تیم MIT در حال حاضر در تلاش است تا با ایجاد تغییرات بیشتر در CAS9 و الگوی RNA ، کارایی ویراستاران اصلی را افزایش دهد. آنها همچنین در حال کار بر روی راه هایی برای ارائه سردبیران به بافت های خاص در بدن هستند که یک چالش دیرینه در ژن درمانی است.

آنها همچنین امیدوارند که آزمایشگاه های دیگر در مطالعات تحقیقاتی خود از رویکرد جدید ویرایش کارشناسی ارشد استفاده کنند. ویراستاران نخست غالباً برای بررسی سؤالات مختلف ، از جمله چگونگی رشد بافت ها ، چگونگی رشد جمعیت سلول های سرطانی و نحوه پاسخ سلول ها به درمان دارو ، مورد استفاده قرار می گیرند.

چاوهان می گوید: “ویراستاران ژنوم به طور گسترده در آزمایشگاه های تحقیقاتی مورد استفاده قرار می گیرند.” “بنابراین جنبه درمانی هیجان انگیز است ، اما ما واقعاً هیجان زده هستیم که می بینیم که مردم چگونه شروع به ادغام ویراستاران ما در گردش کار تحقیقاتی خود می کنند.”

این تحقیق توسط بنیاد تحقیقات علوم زندگی ، انستیتوی ملی تصویربرداری و مهندسی زیست پزشکی ، انستیتوی ملی سرطان و کمک هزینه پشتیبانی انستیتوی Koch (CORE) از موسسه ملی سرطان تأمین شد.