با ترکیب فناوری CRISPR با پروتئینی که با هوش مصنوعی طراحی شده است، می‌توان با غیرفعال کردن «کلیدهای خاموش» شیمیایی که آنها را خاموش می‌کند، ژن‌های خفته را بیدار کرد. محققان دانشکده پزشکی دانشگاه واشنگتن (UW) در سیاتل این یافته را در مجله Cell Reports توصیف کردند.

شیری لوی، عضو فوق دکتری در موسسه UW برای سلول های بنیادی و پزشکی بازساختی (ISCRM) گفت: این رویکرد به محققان اجازه می دهد تا نقش ژن های فردی را در رشد و تکامل طبیعی سلول، در پیری و در بیماری هایی مانند سرطان درک کنند. نویسنده اصلی مقاله

لوی گفت: «زیبایی این رویکرد این است که می‌توانیم با خیال راحت ژن‌های خاص را تنظیم کنیم تا بر فعالیت سلولی تأثیر بگذاریم، بدون اینکه ژنوم را به طور دائم تغییر دهیم و باعث اشتباهات ناخواسته شویم».

این پروژه توسط Hannele Ruohola-Baker، استاد بیوشیمی و دانشیار ISCRM رهبری شد. پروتئین طراحی شده با هوش مصنوعی در موسسه UW Medicine for Protein Design (IPD) تحت رهبری دیوید بیکر، همچنین استاد بیوشیمی و رئیس IPD، توسعه یافت.

تکنیک جدید با هدف قرار دادن تغییرات شیمیایی که به بسته بندی ژن ها در کروموزوم ها و تنظیم فعالیت آنها کمک می کند، فعالیت ژن را بدون تغییر توالی DNA ژنوم کنترل می کند. از آنجایی که این تغییرات نه در ژن‌ها، بلکه در بالای ژن‌ها اتفاق می‌افتد، آنها را اپی ژنتیک می‌نامند که از واژه یونانی epi «بالا» یا «بالای» ژن‌ها نامیده می‌شود. تغییرات شیمیایی که فعالیت ژن را تنظیم می کنند، نشانگرهای اپی ژنتیک نامیده می شوند. 

دانشمندان علاقه خاصی به اصلاحات اپی ژنتیکی دارند زیرا نه تنها بر فعالیت ژن در عملکرد طبیعی سلول تأثیر می‌گذارند، بلکه نشانگرهای اپی ژنتیک با گذشت زمان انباشته می‌شوند، به پیری کمک می‌کنند و می‌توانند بر سلامت نسل‌های آینده تأثیر بگذارند، زیرا می‌توانیم آنها را به فرزندان خود منتقل کنیم. 

لوی و همکارانش در کار خود بر روی مجموعه ای از پروتئین ها به نام PRC2 تمرکز کردند که با اتصال یک مولکول کوچک به نام گروه متیل به پروتئینی که ژن هایی به نام هیستون را بسته بندی می کند، ژن ها را خاموش می کند. این گروه‌های متیل باید تازه‌سازی شوند تا اگر PRC2 مسدود شود، ژن‌هایی که خاموش کرده‌اند می‌توانند دوباره بیدار شوند. 

PRC2 در سراسر رشد فعال است، اما نقش مهمی را در روزهای اول زندگی ایفا می کند، زمانی که سلول های جنینی به انواع مختلف سلولی تمایز می یابند که بافت ها و اندام های جنین در حال رشد را تشکیل می دهند. PRC2 را می توان با مواد شیمیایی مسدود کرد، اما آنها نادقیق هستند و بر عملکرد PRC2 در سراسر ژنوم تأثیر می گذارند. هدف محققان UW یافتن راهی برای مسدود کردن PRC2 بود تا تنها یک ژن در هر زمان تحت تأثیر قرار گیرد.

برای انجام این کار، بیکر و همکارانش از هوش مصنوعی برای ایجاد پروتئینی استفاده کردند که به PRC2 متصل می شود و پروتئینی را که PRC2 برای اصلاح هیستون ها استفاده می کند، مسدود می کند. سپس Ruohola-Baker و Levy این پروتئین طراحی شده را با نسخه غیرفعال پروتئینی به نام Cas9 ترکیب کردند. 

Cas9 پروتئینی است که در فرآیند ویرایش ژن به نام CRISPR استفاده می شود. Cas9 متصل می شود و از RNA به عنوان تگ آدرس استفاده می کند. این سیستم به دانشمندان اجازه می‌دهد تا با سنتز یک RNA «برچسب آدرس» خاص، Cas9 را به یک مکان دقیق در ژنوم برسانند و بنابراین ژن‌ها را در مکان‌های خاص برش داده و به هم متصل کنند. با این حال، در این آزمایش، عملکرد برش پروتئین Cas9 غیرفعال می شود، بنابراین توالی DNA ژنومی تغییر نمی کند. در نتیجه، dCas9 نامیده می‌شود، یعنی «مرده». با این حال، عملکرد Cas9 به عنوان یک “وسیله نقلیه” برای تحویل محموله به یک مکان خاص فعال باقی می ماند. پروتئین مسدودکننده طراحی شده با هوش مصنوعی محموله سازه dCas9-RNA بود. لوی می‌گوید: «dCas9 مانند UBER است، شما را به هر جایی از ژنومی که می‌خواهید می‌برد می‌برد. RNA راهنما مانند یک مسافر است که به UBER می گوید کجا برود.”

در مقاله جدید، لوی و همکارانش نشان دادند که با استفاده از این تکنیک، آنها توانستند PRC2 را مسدود کنند و به طور انتخابی چهار ژن مختلف را روشن کنند. آنها همچنین توانستند نشان دهند که می‌توانند سلول‌های بنیادی پرتوان القایی را به سلول‌های پیش‌ساز جفتی به سادگی با روشن کردن دو ژن متمایز کنند. 

لوی گفت: «این تکنیک به ما امکان می‌دهد از بمباران سلول‌ها با فاکتورهای رشد مختلف و فعال‌کننده‌ها و سرکوب‌کننده‌های ژنی برای تمایز آنها اجتناب کنیم.» درعوض، می‌توانیم مکان‌های خاصی را در ناحیه محرک‌های رونویسی ژن مورد هدف قرار دهیم، آن نشانه‌ها را برداریم و به سلول اجازه دهیم بقیه کارها را به شیوه‌ای ارگانیک و جامع انجام دهد. “

در نهایت، محققان توانستند نشان دهند که چگونه می‌توان از این تکنیک برای یافتن مکان مناطق تنظیمی خاص تحت کنترل PRC2 از جایی که ژن‌های فردی فعال می‌شوند، استفاده کرد. محل بسیاری از اینها ناشناخته است. در این مورد، آنها یک ناحیه پروموتور – به نام جعبه TATA – برای ژنی به نام TBX18 شناسایی کردند . اگرچه تفکر فعلی این است که این نواحی محرک نزدیک به ژن هستند، در 30 جفت باز DNA، آنها دریافتند که ناحیه پروموتر برای این ژن بیش از 500 جفت باز فاصله دارد.

Ruohola-Baker گفت: “این یک یافته بسیار مهم بود.” جعبه‌های TATA در سراسر ژنوم پراکنده شده‌اند، و تفکر فعلی در زیست‌شناسی این است که جعبه‌های مهم TATA بسیار نزدیک به محل رونویسی ژن هستند و به نظر می‌رسد بقیه مهم نیستند. قدرت این ابزار این است که می‌تواند عناصر مهم وابسته به PRC2 را پیدا کند، در این مورد جعبه‌های TATA مهم هستند.

تغییرات اپی ژنتیکی مناطق وسیعی از ژنوم را در سلول های طبیعی و غیر طبیعی تزئین می کند. با این حال، حداقل واحد عملکردی برای اصلاحات اپی ژنتیکی به خوبی شناخته نشده است، روهولا-بیکر خاطرنشان می کند: «با این دو پیشرفت، پروتئین های طراحی شده با هوش مصنوعی و فناوری CRISPR، اکنون می توانیم علائم اپی ژنتیکی دقیقی را که برای بیان ژن مهم هستند، پیدا کنیم. قوانین و استفاده از آنها برای کنترل عملکرد سلولی، ایجاد تمایز سلولی و توسعه درمان های قرن بیست و یکم.

– این بیانیه مطبوعاتی در ابتدا در وب سایت دانشکده پزشکی دانشگاه واشنگتن منتشر شد