موفقيت دانشمندان در ويرايش دقيق ژنوم ميتوكندري

يك آنزيم باكتريايي عجيب به پژوهشگران اين امكان را داده است تا به چيزي دست پيدا كنند كه حتي سيستم ويرايش ژنوم CRISPR–Cas9 قادر به انجام آن نيست: تغييرات هدفمند در ژنوم ميتوكندري كه ساختارهاي مهم توليد انرژي در سلول‌ها هستند. اين تكنيك كه برپايه‌ي نسخه‌ي بسيار دقيقي از ويرايش ژن به نام ويرايش پايه بنا شده است، به پژوهشگران اجازه مي‌دهد تا روش‌هاي جديدي را براي مطالعه و شايد حتي براي درمان بيماري‌هاي ناشي‌از جهش در ژنوم ميتوكندريايي توسعه دهند. اختلالات مذكور معمولا توارث مادري دارند و در توانايي سلول براي توليد انرژي اختلال ايجاد مي‌كنند.

اگرچه درمقايسه‌با ژنوم هسته‌اي، تعداد كمي ژن در ژنوم ميتوكندريايي وجود دارد، اين جهش‌ها مي‌توانند به‌ويژه به سيستم عصبي و عضلات ازجمله قلب آسيب برسانند كه مي‌تواند براي افرادي كه آن‌ها را ارث مي‌برند، كشنده باشد. اما مطالعه‌ي چنين اختلالاتي دشوار است، زيرا دانشمندان راهي براي ساخت مدل‌هاي حيواني كه دچار همين تغييرات در ژنوم ميتوكندري باشند، نداشتند. به‌لطف جديدترين تكنيك، دانشمندان مي‌توانند براي اولين بار چنين تغييرات هدفمندي را در ژنوم ميتوكندري ايجاد كنند.

سيستم ويرايش ژن CRISPR–Cas9 به پژوهشگران اجازه مي‌دهد تا ژنوم را به دلخواه خود تقريبا در هر ارگانيسمي كه اين روش در آن آزمايش شده است، تغيير دهند. اما اين ابزار براي هدايت آنزيم Cas9 به منطقه‌اي از DNA كه دانشمندان قصد تغيير آن را دارند، از رشته‌اي از RNA استفاده مي‌كند. اين روش به‌خوبي براي DNA كه درون هسته‌ي سلول قرار دارد، كار مي‌كند؛ اما پژوهشگران هيچ راهي براي انتقال آن RNA به ميتوكندري فراگرفته‌شده با غشاها ندارند.

ميتوكندري‌ها (به رنگ آبي) اندامك‌هاي توليدكننده انرژي سلول هستند

در اواخر سال ۲۰۱۸، ديويد ليو، زيست‌شناس و شيمي‌دان موسسه‌ي برود موسسه‌ي فناوري ماساچوست و دانشگاه هاروارد در كمبريج، رايانامهي دريافت كرد: در سياتل، گروهي از پژوهشگران تحت هدايت ميكروب‌شناسي به نام جوزف موگوس در دانشگاه واشينگتن آنزيم عجيبي كشف كرده بودند. آنزيم مذكور نوعي توكسين بود كه به‌وسيله‌ي باكتري بورخولدريا سنوسپاسيا (Burkholderia cenocepacia) ساخته مي‌شد و وقتي با باز C (سيتوزين) در DNA رو‌به‌رو مي‌شد، آن را به U (اوراسيل) تبديل مي‌كرد. ازآن‌جا كه باز U كه معمولا در DNA يافت نمي‌شود، مانند T (تيمين) رفتار مي‌كند، آنزيم‌هايي كه DNA سلول را تكثير مي‌كنند، آن را به‌عنوان T نسخه‌برداري كرده و اساسا باز C را در توالي ژنوم به T تبديل مي‌كنند.

ليو از آنزيم‌هاي مشابه در ويرايش پايه استفاده كرده بود كه به پژوهشگران امكان مي‌دهد تا از اجزاي سيستم CRISPR–Cas9 براي تغيير يك باز DNA به باز ديگر استفاده كنند؛ اما آن آنزيم‌ها كه سيتيدين دآميناز نام دارند، معمولا فقط روي DNA تك‌رشته‌اي عمل مي‌كنند.

توالي DNA در سلول‌هاي انساني از دو رشته تشكيل مي‌شود كه به هم پيچ خورده‌اند و ليو در گذشته، براي شكستن DNA و ايجاد منطقه‌اي از DNA تك‌رشته‌اي بدون پيچ‌خوردگي كه آنزيم‌هاي او بتوانند روي آن عمل كنند، متكي‌بر آنزيم Cas9 بوده است. به‌علت وابستگي به رشته‌اي از RNA كه آنزيم Cas9 را هدايت مي‌كند، اين تكنيك نمي‌تواند به ژنوم ميتوكندري دست پيدا كند؛ اما آنزيمي كه گروه موگوس آن را پيدا كرده‌اند و DddA ناميده مي‌شود، مي‌تواند مستقيما روي DNA دو رشته‌اي بدون نياز به آنزيم Cas9 براي شكستن آن، عمل كند. طبق استدلال ليو و موگوس، اين امر مي‌تواند آنزيم DddA را براي رسيدن به ژنوم ميتوكندي مناسب سازد.

براي تبديل DddA به ابزاري براي ويرايش ژنوم، ليو ابتدا نياز به اهلي كردن اين جانور درنده داشت، چرا كه توانايي تغيير DNA همچنين موجب كشندگي آنزيم مي‌شود؛ زيرا اين آنزيم اگر از تنظيم خارج شود، به هر باز سيتوزيني كه برسد، آن را دچار جهش خواهد كرد. پژوهشگران براي پيشگيري از اين امر، آنزيم را به دو قطعه تقسيم كردند كه تنها درصورتي‌كه در محل مناسب گرد هم مي‌آمدند، مي‌توانستند DNA را تغيير دهند. براي كنترل محلي از DNA كه آنزيم آن را اصلاح مي‌كند، پژوهشگران هر نيمه از DddA را به پروتئين‌هايي متصل كردند كه به گونه‌اي مهندسي شده بودند كه به مكان‌هاي خاصي در ژنوم متصل شوند.

در‌حال‌حاضر در برخي كشورها از روشي به نام جايگزيني ميتوكندريايي استفاده مي‌شود كه در آن هسته‌ي تخمك يا رويان به تخمك يا روياني كه حاوي ميتوكندي سالم است، منتقل مي‌شود. پژوهشگران همچنين درحال توسعه‌ي تكنيكي براي تصحيح جهش‌هاي ميتوكندريايي با بهره‌گيري از اين مزيت بوده‌اند كه سلول‌ها مي‌توانند حاوي هزاران نسخه از ژنوم ميتوكندريايي باشند و غالبا، بخشي از اين‌ ميتوكندري‌ها حامل جهش مرتبط با بيماري نيستند. مورائس و ديگران درحال توسعه‌ي آنزيم‌هايي بوده‌اند كه وارد ميتوكندري شده و DNA را در محل جهش مضر برش دهد. ميتوكندري اغلب به‌جاي ترميم محل برش، DNA آسيب‌ديده را تخريب مي‌كند. نتيجه‌ي اين كار، ميتوكندري‌هايي است كه از نسخه جهش‌يافته ژنوم خالي هستند و درنهايت به نسخه‌ي طبيعي اجازه مي‌دهد كه اين ساختارها را احيا كند.

ميشل مينچوك، متخصص ژنتيك ميتوكندري در دانشگاه كمبريج در بريتانيا مي‌گويد جديدترين رويكرد ويرايش مي‌تواند به پژوهشگران اجازه دهد تا چنين جهش‌هايي را حتي زماني كه ميتوكندري فاقد تعداد كافي از نسخه‌هاي طبيعي ژن است، تصحيح كنند. اگرچه هنوز با متخصصدهاي پزشكي اين رويكرد فاصله داريم، پژوهشگران در كوتاه‌مدت از اين تكنيك براي توليد مدل‌هاي حيواني كه در آن‌ها بتوانند اثرات جهش‌هاي ميتوكندريايي را مورد مطالعه قرار دهند، سود خواهند برد.