ویرایش و مهندسی ژنوم

مهندسی ژنوم، خواندن DNA را به بازنویسی آن تبدیل می‌کند، با استفاده از ابزارهای قابل برنامه‌ریزی که DNA را در مکان‌های انتخابی برش می‌دهند تا توالی‌ها بتوانند با دقت حذف، تصحیح یا درج شوند.

Definition

ویرایش ژنوم، تغییر هدفمند DNA یک ارگانیسم در یک مکان انتخابی با استفاده از نوکلئازهای قابل برنامه‌ریزی است که برجسته‌ترین آنها سیستم CRISPR-Cas است، که در آن یک RNA راهنما آنزیمی را برای برش یک توالی منطبق هدایت می‌کند.

Scope

این موضوع شامل مبانی فناوری DNA نوترکیب، نوکلئازهای هدفمند که پیش از CRISPR وجود داشتند، سیستم CRISPR-Cas9 و نحوه هدایت برش توسط RNA راهنما، مسیرهای ترمیمی که یک ویرایش را نهایی می‌کنند، ویرایش پایه و پرایم، و کاربردهای اصلی و ملاحظات اخلاقی ویرایش ژنوم‌ها می‌شود. این موضوع به اصلاح عمدی ژنوم‌ها می‌پردازد؛ منابع طبیعی تغییر توالی تحت عنوان جهش و نوترکیبی پوشش داده می‌شوند.

Core questions

• چگونه یک RNA راهنما آنزیم Cas9 را به یک توالی DNA خاص هدایت می‌کند؟
• چگونه مسیرهای ترمیمی سلولی یک برش هدفمند را به حذف یا یک اصلاح دقیق تبدیل می‌کنند؟
• چگونه ویرایش پایه و پرایم DNA را بدون ایجاد شکستگی دو رشته‌ای تغییر می‌دهند؟
• چه کاربردها و نگرانی‌های اخلاقی از توانایی ویرایش ژنوم‌ها ناشی می‌شود؟

Key concepts

• DNA نوترکیب و نوکلئازهای هدفمند اولیه
• CRISPR-Cas9 و هدف‌گیری با RNA راهنما
• ترمیم توسط اتصال انتهای غیرهمولوگ و ترمیم هدایت‌شده با همولوگ
• ویرایش پایه و ویرایش پرایم
• کاربردها و اخلاق ویرایش

Mechanisms

در ویرایش CRISPR، یک RNA راهنمای کوتاه با یک توالی DNA هدف جفت می‌شود و نوکلئاز Cas9 را برای برش هر دو رشته قرار می‌دهد؛ سپس سلول شکستگی را یا با اتصال انتهای غیرهمولوگ (error-prone end joining) که می‌تواند یک ژن را مختل کند، یا با ترمیم هدایت‌شده با همولوگ (homology-directed repair) با استفاده از یک الگو، که می‌تواند یک تغییر دقیق را ایجاد کند، ترمیم می‌کند، در حالی که ویرایشگرهای پایه و پرایم، بازها را بدون ایجاد شکستگی دو رشته‌ای کامل، به صورت شیمیایی تبدیل یا بازنویسی می‌کنند.

Clinical relevance

ویرایش ژنوم درمان‌های تایید شده‌ای را برای اختلالات خونی ارثی تولید کرده است، تحقیقات را در زمینه اصلاح جهش‌های بیماری‌زا و مهندسی سلول‌درمانی‌ها پیش می‌برد، و سوالات اخلاقی مهمی را مطرح می‌کند، به ویژه در مورد ویرایش ارثی سلول‌های زاینده انسانی؛ این مدخل آموزشی است و راهنمایی برای استفاده بالینی نیست.

History

تکنیک‌های DNA نوترکیب در دهه 1970 برای اولین بار امکان برش و اتصال ژن‌ها را فراهم کردند، نوکلئازهای انگشت روی و TALEN هدف‌گیری قابل برنامه‌ریزی را در دهه 2000 به ارمغان آوردند، و اثبات در سال 2012 که CRISPR-Cas9 می‌تواند با یک RNA راهنما برنامه‌ریزی شود، ویرایش دقیق را ساده و گسترده کرد و جایزه نوبل شیمی 2020 را برای دودنا و شارپنتیه به ارمغان آورد.

Debates

ویرایش ارثی سلول‌های زاینده انسانی

ویرایش جنین‌ها یا سلول‌های زاینده تغییرات را به نسل‌های آینده منتقل می‌کند و سوالات حل‌نشده‌ای را در مورد ایمنی، رضایت، برابری و مرز بین درمان و بهبود مطرح می‌کند؛ اکثر مراجع در حال حاضر ویرایش بالینی سلول‌های زاینده را زودرس و از نظر اخلاقی پیچیده می‌دانند.

Key figures

• Jennifer Doudna
• Emmanuelle Charpentier
• Feng Zhang

Seminal works

• jinek2012

Frequently asked questions

CRISPR چگونه می‌داند کجا را برش دهد؟

یک RNA راهنمای کوتاه حاوی توالی‌ای است که با هدف مورد نظر مطابقت دارد؛ این RNA با آن DNA جفت می‌شود و آنزیم Cas9 را به نقطه صحیح می‌آورد، بنابراین تغییر RNA راهنما سیستم را برای برش یک توالی متفاوت بازبرنامه‌ریزی می‌کند.

آیا ویرایش CRISPR همیشه دقیق است؟

ویرایش می‌تواند اثرات خارج از هدف داشته باشد و ترمیم یک برش کاملاً قابل کنترل نیست، به همین دلیل رویکردهای جدیدتر مانند ویرایش پایه و پرایم به دنبال دقت بیشتر هستند و ارزیابی ایمنی برای هرگونه استفاده درمانی حیاتی است.