كريسبر وتحرير الجينوم

كيف تُحدث النيوكليازات القابلة للبرمجة، وخاصة أنظمة كريسبر-كاس الموجهة بالحمض النووي الريبوزي (RNA)، قطعًا مستهدفًا في الحمض النووي (DNA) مما يتيح للباحثين تعديل الجينومات بسهولة غير مسبوقة.

Definition

تحرير الجينوم هو التعديل المستهدف للحمض النووي (DNA) للكائن الحي في مواقع مختارة باستخدام نيوكليازات قابلة للبرمجة؛ كريسبر-كاس هو نظام موجه بالحمض النووي الريبوزي (RNA)، مشتق من المناعة البكتيرية، حيث يوجه الحمض النووي الريبوزي الموجه (guide RNA) نيوكلياز Cas إلى تسلسل حمض نووي (DNA) مطابق لإحداث كسر مزدوج السلسلة للتحرير.

Scope

يغطي هذا الموضوع تحرير الجينوم المستهدف، مع التركيز على نظام كريسبر-كاس. يتناول الأصل البكتيري لكريسبر كنظام مناعي تكيفي، ومبدأ شق الحمض النووي الموجه بالحمض النووي الريبوزي (RNA) بواسطة Cas9، وكيف يتم إصلاح الكسر الناتج لحذف أو إدخال تسلسل، ومقارنة موجزة مع النيوكليازات القابلة للبرمجة السابقة. يعالج هذا الموضوع المنهج ومنطقه؛ بينما تُغطى طرق الاستنساخ والتضخيم والتسلسل الأوسع في مواضيع مصاحبة.

Core questions

• من أين يأتي كريسبر وما وظيفته الطبيعية؟
• كيف يوجه الحمض النووي الريبوزي الموجه (guide RNA) إنزيم Cas9 إلى تسلسل حمض نووي (DNA) محدد؟
• كيف يُستخدم الكسر المزدوج السلسلة لحذف أو إدخال تسلسل؟
• كيف يُقارن كريسبر بأدوات تحرير الجينوم السابقة؟

Key theories

شق الحمض النووي الموجه بالحمض النووي الريبوزي (RNA)

أظهر جينيك وزملاؤه أن نيوكلياز Cas9 يمكن برمجته بواسطة حمض نووي ريبوزي موجه (guide RNA) واحد لقطع أي تسلسل حمض نووي (DNA) مطابق، محولين نظامًا مناعيًا بكتيريًا إلى أداة تحرير متعددة الاستخدامات وسهلة الاستهداف.

التحرير الموجه بالإصلاح

يتم إصلاح الكسر المزدوج السلسلة الذي يحدث في الهدف بواسطة مسارات الخلية الخاصة، بحيث يؤدي الالتحام غير الدقيق للأطراف إلى تعطيل الجين أو يؤدي الإصلاح الموجه بالتجانس إلى إدخال تغيير محدد يتم توفيره بواسطة قالب.

Mechanisms

في تحرير كريسبر-كاس، يتزاوج الحمض النووي الريبوزي الموجه (guide RNA) مع تسلسل حمض نووي (DNA) مستهدف مجاور لنمط تعرف قصير، موجهًا نيوكلياز Cas لقطع كلا السلسلتين في ذلك الموقع. ثم تقوم الخلية بإصلاح الكسر: غالبًا ما يؤدي الالتحام غير المتماثل للأطراف إلى إدخال إضافات أو حذف صغيرة تعطل الجين، بينما يؤدي الإصلاح الموجه بالتجانس، عند توفر قالب مانح، إلى إحداث تغيير دقيق في التسلسل. نظرًا لأن التحديد يتم ببساطة عن طريق تسلسل الحمض النووي الريبوزي الموجه (guide RNA)، فإن النظام أسهل بكثير في إعادة الاستهداف من النيوكليازات المبرمجة بالبروتين السابقة.

Clinical relevance

يجري تطوير تحرير الجينوم للعلاجات الجينية والخلوية وهو أداة بحثية معيارية، بينما يثير استخدامه في البشر اعتبارات أخلاقية مهمة؛ يُعرض هذا كأهمية بدلاً من كونه إرشادات سريرية.

History

بناءً على اكتشاف أن مواضع كريسبر تشكل نظامًا مناعيًا تكيفيًا بكتيريًا، أثبتت دُودنا وشاربنتير في عام 2012 أن Cas9 يمكن برمجته بحمض نووي ريبوزي موجه (guide RNA) واحد، مما أرسى تحرير الجينوم بكريسبر، وهو ما حظي بتقدير جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2020.

Debates

تحرير الخلايا الجرثومية البشرية

يثير تحرير الخلايا القابلة للتوريث مخاوف أخلاقية وسلامة بشأن الموافقة، والآثار غير المستهدفة، والإنصاف؛ وقد دعا المجتمع العلمي إلى الحذر بينما تتقدم التطبيقات على الخلايا غير القابلة للتوريث.

Key figures

• Jennifer Doudna
• Emmanuelle Charpentier

Seminal works

• jinek2012
• watson2013

Frequently asked questions

ماذا يفعل الحمض النووي الريبوزي الموجه (guide RNA) في كريسبر؟

يتزاوج مع تسلسل حمض نووي (DNA) مطابق ويوجه نيوكلياز Cas للقطع هناك، لذا فإن تغيير الحمض النووي الريبوزي الموجه يغير الهدف.

كيف يؤدي قطع الحمض النووي (DNA) إلى التعديل؟

تقوم الخلية بإصلاح الكسر؛ واعتمادًا على المسار وأي قالب يتم توفيره، يؤدي هذا إما إلى تعطيل الجين أو إدخال تغيير دقيق مقصود.