تحرير الجينوم وهندسته

تحول هندسة الجينوم قراءة الحمض النووي (DNA) إلى إعادة كتابته، باستخدام أدوات قابلة للبرمجة تقطع الحمض النووي في مواقع مختارة بحيث يمكن حذف التسلسلات أو تصحيحها أو إدخالها بدقة.

Definition

تحرير الجينوم هو التغيير المستهدف للحمض النووي لكائن حي في موقع مختار باستخدام نوكليازات قابلة للبرمجة، وأبرزها نظام كريسبر-كاس (CRISPR-Cas)، حيث يوجه الحمض النووي الريبوزي الموجه (guide RNA) إنزيمًا لقطع تسلسل مطابق.

Scope

يغطي هذا الموضوع أسس تقنية الحمض النووي المؤتلف (recombinant DNA)، والنوكليازات المستهدفة التي سبقت كريسبر (CRISPR)، ونظام كريسبر-كاس9 (CRISPR-Cas9) وكيف يوجه الحمض النووي الريبوزي الموجه (guide RNA) عملية الشق، ومسارات الإصلاح التي تنهي التعديل، وتحرير القواعد والتحرير الأولي (base and prime editing)، والتطبيقات الرئيسية والاعتبارات الأخلاقية لتحرير الجينومات. ويتناول التعديل المتعمد للجينومات؛ بينما تُغطى المصادر الطبيعية لتغير التسلسل تحت موضوعي الطفرة وإعادة التركيب.

Core questions

• كيف يوجه الحمض النووي الريبوزي الموجه (guide RNA) إنزيم كاس9 (Cas9) إلى تسلسل حمض نووي محدد؟
• كيف تحول مسارات الإصلاح الخلوية القطع المستهدف إلى حذف أو تصحيح دقيق؟
• كيف تغير محررات القواعد والمحررات الأولية (base and prime editing) الحمض النووي دون إحداث كسر مزدوج للشريط؟
• ما هي التطبيقات والمخاوف الأخلاقية التي تنشأ عن القدرة على تحرير الجينومات؟

Key concepts

• الحمض النووي المؤتلف والنوكليازات المستهدفة السابقة
• كريسبر-كاس9 واستهداف الحمض النووي الريبوزي الموجه
• الإصلاح عن طريق الربط غير المتجانس للأطراف والإصلاح الموجه بالتجانس
• تحرير القواعد والتحرير الأولي
• تطبيقات وأخلاقيات التحرير

Mechanisms

في تحرير كريسبر، يتزاوج الحمض النووي الريبوزي الموجه القصير (guide RNA) مع تسلسل الحمض النووي المستهدف ويضع إنزيم كاس9 (Cas9 nuclease) لقطع كلا الشريطين؛ ثم تقوم الخلية بإصلاح الكسر إما عن طريق الربط غير المتجانس للأطراف المعرض للخطأ (error-prone end joining)، والذي يمكن أن يعطل الجين، أو عن طريق الإصلاح الموجه بالتجانس (homology-directed repair) باستخدام قالب مُقدم، والذي يمكن أن يُحدث تغييرًا دقيقًا، بينما تقوم محررات القواعد والمحررات الأولية (base and prime editors) بتحويل أو إعادة كتابة القواعد كيميائيًا دون كسر مزدوج كامل للشريط.

Clinical relevance

أنتج تحرير الجينوم علاجات معتمدة لاضطرابات الدم الوراثية، ويدفع الأبحاث نحو تصحيح الطفرات المسببة للأمراض وهندسة العلاجات الخلوية، ويثير أسئلة أخلاقية مهمة، خاصة فيما يتعلق بالتحرير الوراثي للخط الجنسي البشري (human germline)؛ هذا المدخل تعليمي وليس دليلاً للاستخدام السريري.

History

سمحت تقنيات الحمض النووي المؤتلف في السبعينيات لأول مرة بقطع الجينات وربطها، وجلبت نوكليازات أصابع الزنك (zinc-finger) وTALEN الاستهداف القابل للبرمجة في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، وأظهرت تجربة عام 2012 أن كريسبر-كاس9 (CRISPR-Cas9) يمكن برمجته باستخدام الحمض النووي الريبوزي الموجه (guide RNA) مما جعل التحرير الدقيق بسيطًا ومنتشرًا، وحصلت دودنا وشاربنتييه على جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2020.

Debates

تحرير الخط الجنسي البشري الوراثي

إن تحرير الأجنة أو الخلايا الجنسية سينقل التغييرات إلى الأجيال القادمة، مما يثير أسئلة لم تُحل بعد حول السلامة والموافقة والإنصاف والخط الفاصل بين العلاج والتحسين؛ وتعتبر معظم السلطات حاليًا تحرير الخط الجنسي السريري سابق لأوانه ومحفوفًا بالمخاطر الأخلاقية.

Key figures

• Jennifer Doudna
• Emmanuelle Charpentier
• Feng Zhang

Seminal works

• jinek2012

Frequently asked questions

كيف يعرف كريسبر أين يقطع؟

يحمل الحمض النووي الريبوزي الموجه القصير (guide RNA) تسلسلاً مطابقًا للهدف المقصود؛ يتزاوج هذا الحمض النووي الريبوزي مع الحمض النووي المستهدف ويجلب إنزيم كاس9 (Cas9) إلى المكان الصحيح، لذا فإن تغيير الحمض النووي الريبوزي الموجه يعيد برمجة النظام لقطع تسلسل مختلف.

هل تحرير كريسبر دقيق دائمًا؟

يمكن أن يكون للتحرير تأثيرات خارج الهدف (off-target effects) وإصلاح القطع ليس قابلاً للتحكم بشكل كامل، وهذا هو السبب في أن الأساليب الأحدث مثل تحرير القواعد والتحرير الأولي (base and prime editing) تهدف إلى دقة أكبر، ولماذا يعتبر تقييم السلامة أمرًا أساسيًا لأي استخدام علاجي.