کریسپر و ویرایش ژنوم

چگونه نوکلئازهای قابل برنامه‌ریزی، به ویژه سیستم‌های کریسپر-کَس با هدایت RNA، برش‌های هدفمند در DNA ایجاد می‌کنند که به محققان امکان می‌دهد ژنوم‌ها را با سهولتی بی‌سابقه ویرایش کنند.

Definition

ویرایش ژنوم، تغییر هدفمند DNA یک ارگانیسم در مکان‌های انتخابی با استفاده از نوکلئازهای قابل برنامه‌ریزی است؛ کریسپر-کَس یک سیستم با هدایت RNA است که از ایمنی باکتریایی نشأت گرفته و در آن یک RNA راهنما، نوکلئاز Cas را به یک توالی DNA منطبق هدایت می‌کند تا یک شکست دو رشته‌ای برای ویرایش ایجاد کند.

Scope

این موضوع به ویرایش هدفمند ژنوم، با تمرکز بر کریسپر-کَس می‌پردازد. منشأ باکتریایی کریسپر به عنوان یک سیستم ایمنی تطبیقی، اصل برش DNA با هدایت RNA توسط Cas9، نحوه ترمیم شکستگی حاصل برای حذف یا درج توالی، و مقایسه مختصری با نوکلئازهای قابل برنامه‌ریزی قبلی را مورد بررسی قرار می‌دهد. این موضوع به روش و منطق آن می‌پردازد؛ روش‌های گسترده‌تر کلونینگ، تکثیر و توالی‌یابی در موضوعات همراه پوشش داده شده‌اند.

Core questions

• کریسپر از کجا می‌آید و عملکرد طبیعی آن چیست؟
• چگونه یک RNA راهنما، Cas9 را به یک توالی DNA خاص هدایت می‌کند؟
• چگونه از شکست دو رشته‌ای برای حذف یا درج توالی استفاده می‌شود؟
• کریسپر چگونه با ابزارهای ویرایش ژنوم قبلی مقایسه می‌شود؟

Key theories

برش DNA با هدایت RNA

جینک و همکارانش نشان دادند که نوکلئاز Cas9 می‌تواند توسط یک RNA راهنمای واحد برای برش هر توالی DNA منطبق برنامه‌ریزی شود و یک سیستم ایمنی باکتریایی را به ابزاری ویرایشی همه‌کاره و با قابلیت هدف‌گیری آسان تبدیل کند.

ویرایش با هدایت ترمیم

شکست دو رشته‌ای ایجاد شده در هدف توسط مسیرهای خود سلول ترمیم می‌شود، به طوری که اتصال انتهای مستعد خطا یک ژن را مختل می‌کند یا ترمیم با هدایت همولوگ یک تغییر تعریف شده را که توسط یک الگو ارائه شده است، وارد می‌کند.

Mechanisms

در ویرایش کریسپر-کَس، یک RNA راهنما با یک توالی DNA هدف در مجاورت یک موتیف شناسایی کوتاه جفت می‌شود و نوکلئاز Cas را برای برش هر دو رشته در آن مکان هدایت می‌کند. سپس سلول شکستگی را ترمیم می‌کند: اتصال انتهای غیرهمولوگ اغلب درج‌ها یا حذف‌های کوچکی را ایجاد می‌کند که یک ژن را از کار می‌اندازد، در حالی که ترمیم با هدایت همولوگ، در صورت وجود یک الگوی دهنده، یک تغییر توالی دقیق را وارد می‌کند. از آنجا که ویژگی به سادگی توسط توالی RNA راهنما تعیین می‌شود، هدف‌گیری مجدد این سیستم بسیار آسان‌تر از نوکلئازهای برنامه‌ریزی شده با پروتئین قبلی است.

Clinical relevance

ویرایش ژنوم برای ژن‌درمانی و سلول‌درمانی در حال توسعه است و یک ابزار تحقیقاتی استاندارد محسوب می‌شود، در حالی که استفاده از آن در انسان ملاحظات اخلاقی قابل توجهی را مطرح می‌کند؛ این موضوع به عنوان اهمیت و نه به عنوان راهنمایی بالینی ارائه شده است.

History

بر اساس کشف اینکه جایگاه‌های کریسپر یک سیستم ایمنی تطبیقی باکتریایی را تشکیل می‌دهند، نمایش سال ۲۰۱۲ توسط دودنا و شارپنتیه مبنی بر اینکه Cas9 می‌تواند با یک RNA راهنمای واحد برنامه‌ریزی شود، ویرایش ژنوم کریسپر را پایه‌گذاری کرد که با جایزه نوبل شیمی در سال ۲۰۲۰ به رسمیت شناخته شد.

Debates

ویرایش سلول‌های زاینده انسانی

ویرایش سلول‌های ارثی نگرانی‌های اخلاقی و ایمنی را در مورد رضایت، اثرات خارج از هدف و برابری ایجاد می‌کند؛ جامعه علمی خواستار احتیاط شده است در حالی که کاربردها در سلول‌های غیرارثی پیشرفت می‌کنند.

Key figures

• Jennifer Doudna
• Emmanuelle Charpentier

Seminal works

• jinek2012
• watson2013

Frequently asked questions

RNA راهنما در کریسپر چه کاری انجام می‌دهد؟

با یک توالی DNA منطبق جفت می‌شود و نوکلئاز Cas را برای برش در آنجا هدایت می‌کند، بنابراین تغییر راهنما، هدف را تغییر می‌دهد.

چگونه برش DNA منجر به ویرایش می‌شود؟

سلول شکستگی را ترمیم می‌کند؛ بسته به مسیر و هر الگوی ارائه شده، این کار یا ژن را مختل می‌کند یا یک تغییر دقیق و مورد نظر را وارد می‌کند.