تحقیقات جدید راه حل ممکنی را برای رساندن ابزارها به طور موثر به هر سلول ارائه می دهد

ایتاکا، نیویورک – CRISPR عصر پزشکی ژنومیک را آغاز کرده است. مجموعه ای از ابزارهای قدرتمند از CRISPR-Cas9 محبوب برای درمان بیماری های ژنتیکی ساخته شده است. با این حال، یک مشکل در آخرین مایل وجود دارد – این ابزارها باید به طور موثر به هر سلول بیمار تحویل داده شوند، و بیشتر Cas9 ها آنقدر بزرگ هستند که نمی توانند در ناقل های ژنوم درمانی محبوب، مانند ویروس مرتبط با آدنوویروس (AAV) نصب شوند.

در تحقیقات جدید ، دانشمندان کرنل توضیحی برای چگونگی حل این مشکل توسط طبیعت ارائه می دهند: آنها با دقت اتمی تعریف می کنند که چگونه یک سیستم مشتق شده از ترانسپوزون DNA را به روش هدایت شده با RNA ویرایش می کند. ترانسپوزون ها عناصر ژنتیکی متحرک درون باکتری ها هستند. دودمان ترانسپوزون IscB را کد می کند که کمتر از نصف اندازه Cas9 است اما به همان اندازه قادر به ویرایش DNA است. جایگزین کردن Cas9 با IscB به طور قطع مشکل اندازه را حل می کند.

مقاله محققین، “اساس ساختاری برای برش DNA هدایت شده با RNA توسط IscB-ωρNA و مقایسه مکانیکی با Cas9″، که در Science منتشر شده است.

محققان از میکروسکوپ کرایو الکترونی (Cryo-EM) برای تجسم مولکول IscB-ωRNA از یک سیستم ترانسپوزون با وضوح بالا استفاده کردند. آنها قادر به گرفتن عکس های فوری از سیستم در حالت های ساختاری مختلف بودند. آنها حتی توانستند انواع باریک تر IscB را با حذف قطعات غیر ضروری از IscB مهندسی کنند.

برنامه‌های کاربردی فانتزی نسل بعدی نیاز به ادغام ویرایشگر ژن با سایر آنزیم‌ها و فعالیت‌ها دارند و اکثر Cas9s در حال حاضر برای انتقال ویروسی بسیار بزرگ هستند. آیلونگ ک، استاد زیست‌شناسی مولکولی و ژنتیک در کالج علوم و هنر، گفت: ما در انتهای تحویل با یک ترافیک مواجه هستیم. «اگر Cas9s را بتوان در ناقل‌های ویروسی که برای دهه‌ها در زمینه ژن‌درمانی استفاده شده است، مانند AAV، بسته‌بندی کرد، آن‌گاه می‌توانیم مطمئن باشیم که می‌توان آن‌ها را تحویل داد و می‌توانیم تحقیقات را منحصراً بر روی کارآمدی خود ابزار ویرایش متمرکز کنیم.»

سیستم‌های CRISPR-Cas9 از یک RNA به‌عنوان راهنما برای تشخیص دنباله‌ای از DNA استفاده می‌کنند. هنگامی که یک کبریت پیدا می شود، پروتئین Cas9 DNA هدف را دقیقاً در مکان مناسب برش می دهد. سپس می‌توان در سطح DNA برای رفع بیماری‌های ژنتیکی عمل جراحی انجام داد. داده‌های cryo-EM جمع‌آوری‌شده توسط تیم کورنل نشان می‌دهد که سیستم IscB-ωρNA به روشی مشابه کار می‌کند، و اندازه کوچک‌تر آن با جایگزینی بخش‌هایی از Cas9 به دست می‌آید. پروتئین با یک RNA ساخت یافته (ωρنا) که با RNA راهنما ترکیب شده است. با جایگزینی اجزای پروتئین Cas9 بزرگتر با RNA، پروتئین IscB به مراکز واکنش شیمیایی هسته ای کوچک می شود که DNA هدف را خرد می کند.

نویسنده اول، گابریل شولر، دانشجوی دکترا در رشته تحصیلات تکمیلی میکروبیولوژی، می گوید: «این در مورد درک ساختار مولکول ها و نحوه انجام واکنش های شیمیایی است. “مطالعه این ترانسپوزون ها به ما نقطه شروع جدیدی برای تولید ابزارهای ویرایش ژن قدرتمندتر و قابل دسترس تر می دهد.”

اعتقاد بر این است که ترانسپوزون ها – عناصر ژنتیکی متحرک – پیش سازهای تکاملی سیستم های CRISPR بودند. آنها توسط باربارا مک کلینتاک برنده جایزه نوبل در 23، MA ’25، PhD ’27 کشف شدند.

Ke گفت: «ترانسپوزون ها موتورهای ژنتیکی تخصصی هستند که همیشه در ژنوم ما ادغام می شوند و از آن جدا می شوند. سیستم‌های درون باکتری‌ها به‌ویژه دائماً انتخاب می‌شوند – طبیعت اساساً میلیاردها بار تاس‌ها را پرتاب کرده و ابزارهای جراحی DNA واقعاً قدرتمندی را از جمله CRISPR ارائه کرده است. و اکنون، با تعریف این آنزیم‌ها با وضوح بالا، می‌توانیم از قدرت آن‌ها بهره ببریم.»

به اندازه کوچک بودن IscB با CRISPR Cas9، محققان معتقدند که می توانند آن را حتی کوچکتر کنند. آنها قبلاً 55 اسید آمینه را بدون تأثیر بر فعالیت IscB حذف کرده اند. آنها امیدوارند که نسخه های بعدی این ویرایشگر ژنوم را کوچکتر و در نتیجه مفیدتر کنند.

Chunyi Hu، نویسنده اول، محقق فوق دکتری در بخش زیست شناسی مولکولی و ژنتیک، گفت که درک بهتر عملکرد RNA راهنمای همراه، انگیزه دیگری در پشت این مطالعه بود. هنوز رازهای زیادی وجود دارد – مثلاً چرا ترانسپوزون ها از یک سیستم هدایت شونده RNA استفاده می کنند؟ این RNA چه نقش های دیگری ممکن است ایفا کند؟

یکی از چالش‌هایی که هنوز برای محققان باقی مانده است این است که در حالی که IscB-ωRNA در لوله‌های آزمایش بسیار فعال است، در تغییر DNA در سلول‌های انسانی کارآمد نبود. گام بعدی در تحقیقات آنها استفاده از ساختار مولکولی برای کشف احتمالاتی است که آنها برای علت فعالیت کم در سلول های انسانی شناسایی کرده اند. شولر گفت: «ما ایده‌هایی داریم، بسیاری از آنها در واقع، که مشتاقیم در آینده نزدیک آزمایش کنیم.

این تحقیق با کمک های مالی که Ke از مؤسسه ملی بهداشت دریافت کرده بود، تامین شد. شولر توسط وزارت دفاع از طریق برنامه کمک هزینه تحصیلی فارغ التحصیلان علوم و مهندسی دفاع ملی پشتیبانی می شود. کار Cryo-EM توسط مرکز تحقیقات مواد کورنل و آزمایشگاه ملی بروکهاون کمک شد. 

– این بیانیه مطبوعاتی در ابتدا در وب سایت دانشگاه کرنل منتشر شد