يُظهر تلطيخ RAD51 (نقطة ساطعة بلون سماوي) في جنين فأر خلية واحدة مخصب إصلاح كسر الحمض النووي الناجم عن كريسبر. الائتمان: الصورة بإذن من الباحثين.
قد تؤدي الطريقة الجديدة ، التي طورها باحثو معهد ماكجفرن ، إلى علاجات جينية أكثر أمانًا وفعالية.
يعد التعديل الجيني ، أو تغيير تسلسل الحمض النووي للجين عن قصد ، أداة قوية لدراسة كيفية تسبب الطفرات في المرض ، ولإحداث تغييرات في الحمض النووي للفرد لأغراض علاجية. تم تطوير طريقة جديدة لتحرير الجينات يمكن استخدامها لكلا الغرضين من قبل فريق بقيادة Guoping Feng ، James W. (1963) وأستاذة Patricia T. Poitras في الدماغ والعلوم المعرفية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
يقول فنغ ، وهو أيضًا عضو في معهد برود في هارفارد ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا و المدير المساعد لمعهد ماكغفرن لأبحاث الدماغ في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. نُشرت النتائج الجديدة على الإنترنت في 26 مايو 2021 في المجلة الموبايل .
النماذج الجينية للمرض
يتمثل الهدف الرئيسي لمختبر Feng في التحديد الدقيق للأخطاء التي تحدث في الاضطرابات التنموية العصبية والنفسية العصبية من خلال هندسة نماذج حيوانية تحمل الطفرات الجينية التي تسبب هذه الاضطرابات لدى البشر. يمكن إنشاء نماذج جديدة عن طريق حقن الأجنة بأدوات تحرير الجينات ، جنبًا إلى جنب مع قطعة من الحمض النووي تحمل الطفرة المطلوبة.
في إحدى هذه الطرق ، تمت برمجة أداة تحرير الجينات كريسبر لقطع الجين المستهدف ، وبالتالي تنشيط آليات الحمض النووي الطبيعية التي "تُصلح" الجين المكسور باستخدام قالب الحمض النووي المحقون. ثم تُستخدم الخلايا المهندسة لتوليد ذرية قادرة على نقل التغيير الجيني إلى أجيال أخرى ، وإنشاء خط جيني مستقر يتم فيه اختبار المرض والعلاجات.
على الرغم من أن تقنية "كريسبر" قد سرعت من عملية إنشاء مثل هذه النماذج المرضية ، إلا أن العملية قد تستغرق شهورًا أو سنوات. أسباب عدم الكفاءة هي أن العديد من الخلايا المعالجة لا تخضع لتغيير تسلسل الحمض النووي المطلوب على الإطلاق ، والتغيير يحدث فقط على واحدة من نسختين من الجينات (بالنسبة لمعظم الجينات ، تحتوي كل خلية على نسختين ، واحدة من الأب وواحدة من الأم).
في محاولة لزيادة كفاءة عملية تحرير الجينات ، افترض فريق مختبر Feng في البداية أن إضافة بروتين لإصلاح الحمض النووي يسمى RAD51 إلى مزيج قياسي من أدوات تحرير الجينات CRISPR من شأنه أن يزيد من فرص وجود خلية (في هذه الحالة فأر مخصب) بيضة ، أو جنين خلية واحدة) للتغيير الجيني المطلوب.
كحالة اختبار ، قاموا بقياس المعدل الذي تمكنوا من إدخال ("الضربة القاضية") طفرة في الجين ش 2 المرتبط بالتوحد. ظلت النسبة الإجمالية للأجنة التي تم تعديلها بشكل صحيح دون تغيير ، ولكن لدهشتهم ، حملت نسبة أعلى بكثير التعديل الجيني المطلوب على كلا الكروموسومين. أسفرت الاختبارات التي أجريت على جين مختلف عن نفس النتيجة غير المتوقعة.
يوضح جوناثان وايلد ، باحث ما بعد الدكتوراة ، أن "تحرير كل من الكروموسومات في وقت واحد أمر غير شائع في العادة". "كان معدل التحرير المرتفع الذي شوهد باستخدام RAD51 مذهلاً حقًا ، وما بدأ كمحاولة بسيطة لصنع متحولة ش 2 سرعان ما تحولت الفئران إلى مشروع أكبر بكثير يركز على RAD51 وتطبيقاته في تحرير الجينوم ، "كما يقول وايلد ، الذي شارك في تأليف الموبايل ورقة مع عالم الأبحاث تومومي عايدة.
آلة نسخ جزيئية
بدأ فريق Feng lab بعد ذلك في فهم الآلية التي يعزز بها RAD51 تحرير الجينات. لقد افترضوا أن RAD51 يشترك في عملية تسمى الإصلاح بين الخلايا (IHR) ، حيث يتم إصلاح كسر الحمض النووي على كروموسوم واحد باستخدام النسخة الثانية من الكروموسوم (من الوالد الآخر) كقالب.
لاختبار ذلك ، قاموا بحقن أجنة الفئران بـ RAD51 و CRISPR لكنهم تركوا قالب الحمض النووي. قاموا ببرمجة كريسبر لقص التسلسل الجيني على أحد الكروموسومات فقط ، ثم اختبروا ما إذا كان قد تم إصلاحه لمطابقة التسلسل على الكروموسوم غير المقطوع. في هذه التجربة ، كان عليهم استخدام الفئران التي كانت فيها التسلسلات على كروموسومات الأم والأب مختلفة.
ووجدوا أن أجنة التحكم المحقونة بكريسبر وحدها نادرًا ما تظهر إصلاح اللوائح الصحية الدولية. ومع ذلك ، أدت إضافة RAD51 إلى زيادة كبيرة في عدد الأجنة التي تم فيها تحرير الجين المستهدف لـ CRISPR لتتناسب مع الكروموسوم غير المصقول.
يقول وايلد: "وجدت الدراسات السابقة للوائح الصحية الدولية أنها غير فعالة بشكل لا يصدق في معظم الخلايا". "اكتشافنا أنه يحدث بسهولة أكبر في الخلايا الجنينية ويمكن تعزيزه بواسطة RAD51 يشير إلى أن الفهم الأعمق لما يجعل الجنين متساهلًا في هذا النوع من إصلاح الحمض النووي يمكن أن يساعدنا في تصميم علاجات جينية أكثر أمانًا وفعالية."
طريقة جديدة لتصحيح الطفرات المسببة للأمراض
استراتيجيات العلاج الجيني المعيارية التي تعتمد على حقن قطعة تصحيحية من الحمض النووي لتكون بمثابة نموذج لإصلاح الطفرة تشارك في عملية تسمى الإصلاح الموجه بالتماثل (HDR).
يوضح فنغ: "لا تزال الاستراتيجيات القائمة على HDR تعاني من انخفاض الكفاءة وتحمل مخاطر التكامل غير المرغوب فيه للحمض النووي للمانحين في جميع أنحاء الجينوم". "لدى اللوائح الصحية الدولية القدرة على التغلب على هذه المشاكل لأنها تعتمد على المسارات الخلوية الطبيعية والكروموسوم الطبيعي الخاص بالمريض من أجل تصحيح الطفرة الضارة."
واصل فريق Feng تحديد البروتينات الإضافية المرتبطة بإصلاح الحمض النووي والتي يمكن أن تحفز اللوائح الصحية الدولية ، بما في ذلك العديد من البروتينات التي لا تعزز المستويات العالية من اللوائح الصحية الدولية فحسب ، بل تقوم أيضًا بقمع الأخطاء في عملية إصلاح الحمض النووي. أعطت التجارب الإضافية التي سمحت للفريق بفحص السمات الجينية لأحداث اللوائح الصحية الدولية رؤية أعمق لآلية اللوائح الصحية الدولية واقترحت طرقًا يمكن استخدام هذه التقنية لجعل العلاجات الجينية أكثر أمانًا.
تقول عايدة: "بينما لا يزال هناك الكثير لنتعلمه عن هذا التطبيق الجديد للوائح الصحية الدولية ، فإن النتائج التي توصلنا إليها هي الأساس لنهج جديد للعلاج الجيني يمكن أن يساعد في حل بعض المشاكل الكبيرة باستخدام الأساليب الحالية".
المرجع: "التحويل الجيني الجنيني المتماثل الفعال عن طريق الإصلاح البيني المحسن لـ RAD51" بقلم جوناثان جيه وايلد ، وتومومي أيدا ، وريكاردو سي إتش ديل روزاريو ، وتوبياس كايزر ، وبيمين كي ، ومارتن وينيش ، وكيانج زانج ، وستيفن كولفين ، وجوبينج فينج ، 26 مايو 2021 و الموبايل .
DOI: 10.1016 / j.cell.2021.04.035
تم دعم هذه الدراسة من قبل مركز Hock E. Tan و K.
