محاصيل كريسبر تأتي إلى أوروبا – لماذا ستكون أكثر جرأة أفضل؟
كان تشانغ من أوائل العلماء الذين تم تعيينهم من قبل شركة CRISPR Therapeutics في زوغ، سويسرا. تأسست شركة التكنولوجيا الحيوية في عام 2013 لعلاج الأمراض باستخدام تحرير الجينات CRISPR-Cas9. لم يتم نشر هذه التقنية إلا مؤخرًا، وكانت تشانغ وزملاؤها يحلمون بطرق لاستخدام هذه الأداة المبتكرة.
لكنها سرعان ما شعرت بالإحباط. تتطلب العديد من خططها استبدال الجين المعيب بالكامل بنسخة سليمة، وسرعان ما أدركت أن هذا يمكن أن يمثل تحديًا مع تقنية كريسبر-كاس9. يقول تشانغ: “عندما وصلنا إلى هناك لأول مرة، كنا مليئين بالإثارة”. “وعندما قمنا بكل العمل، وجدنا أن الأمر أكثر تعقيدًا مما كنا نعتقد.”
اليوم، أصبح الأمر أسهل. والآن تعمل تشانغ وزملاؤها في جامعة ووهان في الصين على تطوير مجموعة أدوات سريعة النمو لإعادة كتابة الجينوم، سواء لأغراض علاجية أو للأبحاث الأساسية. تعتمد بعض الأساليب على تقنية كريسبر-كاس9؛ لقد تحرر آخرون منه تمامًا. يقول شانون ميلر، مهندس حيوي في شركة سكريبس للأبحاث في لا جولا، كاليفورنيا: “لقد كان انفجارًا مجنونًا للتكنولوجيات الجديدة”.
لا يزال الوقت مبكرًا لهذه التقنيات، ولكل منها إيجابيات وسلبيات. ولم يُظهِر أي منها البساطة والتنوع اللذين جلبتهما تقنية كريسبر-كاس9 إلى مهام تحرير الحمض النووي الأكثر تواضعًا. تعتمد الطريقة التي سيتم اختيارها على حجم الحمض النووي الذي يجب إدخاله، والمكان الذي يجب أن يذهب إليه في الجينوم، ونوع الخلية التي يتم تعديلها (انظر: “دليل مختصر لتحرير الجينات الكبيرة”). تقول إيمي بولر، رئيسة قسم العلاج العصبي في شركة ريجينيرون في تاريتاون، نيويورك: “هناك الكثير من النكهات المختلفة”. “لن يكون هناك نهج واحد يناسب الجميع.”
اختيار الأداة المناسبة للوظيفة
مريحة ومتعددة الاستخدامات، تقنيات تحرير الجينات كريسبر-كاس9 تتألق حقًا عندما تُستخدم لإجراء تغييرات صغيرة في تسلسل الحمض النووي لإلغاء وظيفة الجين. هناك تقنية ذات صلة وأكثر دقة تسمى تحرير قاعدة، يسخر آلية كريسبر لتغيير “حروف” الحمض النووي الفردية.
وقد تم استخدام كلا التقنيتين لعلاج الأمراض لدى البشر، لكن لهما حدود. يجب على أدوات تحرير الجينات كريسبر-كاس9 أن تكسر الحمض النووي قبل أن تتمكن من تعديله. يقوم إنزيم Cas9 بتقطيع خيوط الحمض النووي في الموقع المستهدف، ويعتمد الباحثون على آلية الإصلاح الطبيعية للخلية – والمعرضة للخطأ – لسد الفجوة. يمكن أن تكون نتائج هذه التعديلات غير متوقعة وغالبًا ما تؤدي إلى تعطيل الجين.
ويجب أن يكون تحرير القاعدة مصممًا خصيصًا للحمض النووي للفرد، مما يجعله دقيقًا للغاية بحيث لا يكون عمليًا بالنسبة لبعض الأمراض. على سبيل المثال، يمكن أن يحدث مرض ستارغاردت، وهو شكل وراثي من أشكال فقدان البصر، بسبب أي من أكثر من 1200 نوع مختلف من المرض. ABCA4 الجين، والذي يمكن تصحيح حوالي 750 منه باستخدام التحرير الأساسي. ولكن ستكون هناك حاجة إلى مئات من علاجات تحرير القاعدة المتميزة لعلاجها جميعًا. يقول تشانغ: «ليس من الواقعي تطوير دواء يعالج مريضًا واحدًا فقط». “إذا تمكنت من تثبيت الجين السليم بأكمله، فيمكنك على الأقل تغطية اضطراب وراثي واحد بعلاج واحد.”
التحرير اللاجيني يترك بصمته
ويأمل بعض الباحثين في استخدام عمليات إدخال جينات كبيرة لتزويد الخلايا بوظائف جديدة. يمكن لهذه التقنية، على سبيل المثال، أن تمنح علاجات الخلايا التائية بمستقبلات المستضد الخيميري (CAR) القدرة على إنتاج بروتينات محفزة للمناعة أو مفاتيح وراثية تنشط الخلايا فقط عندما تكون بالقرب من الورم.
علاوة على ذلك، يمكن للعلماء الذين يقومون بأبحاث أساسية معالجة أجزاء كبيرة من الحمض النووي لإنشاء نماذج محسنة للأمراض البشرية، وإعادة إنتاج المسارات الأيضية، واستكشاف العلاقات بين البنية الجينومية والوظيفة، وبناء الكروموسومات الاصطناعية.
ومع ذلك، فإن تقنية كريسبر-كاس9 ليست دائمًا الأداة الصحيحة لتحقيق هذه الأهداف. يمكنه إدخال الحمض النووي، لكن كفاءته تنخفض مع زيادة حجم الجزء، لذا يستخدمه الباحثون عادةً مع شرائح الحمض النووي التي تكون أقصر من 2000 زوج أساسي. قد يكون من الصعب أيضًا استخدام هذه التقنية في الخلايا التي لا تنقسم بشكل نشط، مثل الخلايا العصبية. تقنية أخرى تعتمد على كريسبر تسمى التحرير الرئيسي، يمكنه إدراج تسلسلات دون كسر كلا شريطي الحمض النووي ولكنه لا يمكنه استيعاب سوى بضع مئات من القواعد. يقول بن ليو، الذي يعمل على تطوير تقنيات تحرير الجينات في جامعة ولاية أوهايو في كولومبوس: “يمثل هذا حقًا عنق الزجاجة في هذا المجال”.
حزمة صغيرة
ولحل هذا الاختناق، قام الباحثون بدمج عناصر من أدوات تحرير الجينات كريسبر مع إنزيمات أخرى قادرة على دمج أجزاء كبيرة من الحمض النووي في الجينومات. على سبيل المثال، قام مهندسا الجينوم عمر أبودية وجوناثان جوتنبرج في كلية الطب بجامعة هارفارد في بوسطن، ماساتشوستس، بتطوير طريقة تسخر إنزيمًا قادرًا على خياطة عشرات الآلاف من قواعد الحمض النووي في الجينوم1.
يقوم هذا الإنزيم، الذي يُسمى إنزيم السيرين الكبير، بإدخال الحمض النووي في مواقع محددة دون الحاجة إلى كسر شريطي الحمض النووي. يستخدم أبوديه وجوتنبرج تكاملًا يسمى Bxb1. يستخدمون التحرير الأولي لإدخال المواقع (تسمى منصات الهبوط) وبروتين Cas9 مقترنًا بـ Bxb1 لإدخال الحمض النووي. أطلق الفريق على هذه التقنية اسم PASTE.
جوناثان جوتنبرج (يسار) وعمر أبودية يدرسان طرقًا لتعديل الجينوم.الائتمان: كيتلين كننغهام للتصوير الفوتوغرافي
استخدم الباحثون في شركة Tome Biosciences المغلقة الآن في ووترتاون بولاية ماساتشوستس، والتي شارك في تأسيسها أبوديه وجوتنبرج، نوعًا مختلفًا من PASTE في القرود cynomolgus (المكاكا الحزمية) لاستبدال الجين المتورط في مرض الهيموفيليا B ، وهو مرض يصيب الدم البشري2. وذكر الباحثون أن حوالي نصف خلايا الكبد لدى الحيوانات تحتوي على النسخة المصححة بعد علاج واحد.
لكن PASTE يتطلب عدة عناصر: إنزيم Cas9 معدّل يقطع أو يقطع خيطًا واحدًا من الحمض النووي في الموقع المستهدف؛ تسلسل منصة الهبوط؛ والنسخ العكسي الذي ينسخ منصة الهبوط في الجينوم؛ التكامل؛ دليل الحمض النووي الريبي. والحمض النووي للمانحين.
ولإدخال كل هذه العناصر إلى الخلايا في تجارب القرود، استخدم الباحثون طريقتين للتوصيل: تحمل الجسيمات النانوية الدهنية الحمض النووي الريبوزي المرسال الذي يشفر الإنزيمات والحمض النووي الريبوزي الموجه؛ وفيروس يسمى الفيروس المرتبط بالغدة أو AAV يحتوي على الحمض النووي للمانحين وتسلسل منصة الهبوط. يقول أبودية: “تتفاقم هذه التعقيدات”. “لقد حصلنا على 50% في الكبد، لكن استهداف أي عضو آخر يصبح أمرًا صعبًا للغاية.”
الطرق الأخرى أكثر تعقيدًا. خذ على سبيل المثال عناصر الحمض النووي المتنقلة التي تسمى الترانسبوزونات. بمساعدة الإنزيمات التي تسمى الترانسبوزات، يمكن للعديد من الترانسبوزونات إدخال نفسها في الحمض النووي بشكل عشوائي. لكن الترانسبوزات المرتبطة بـ CRISPR (CASTs) يمكن أن تستهدف موقعًا محددًا في الجينوم إذا تم تزويدها بدليل الحمض النووي الريبي (RNA) والحمض النووي المانح (DNA) المانح الذي يحتوي على تسلسلات ترانسبوزونية على كلا الطرفين.
الإجراء التالي لكريسبر: الشركات تقوم بتحرير الجينوم لعلاج الأمراض
وقد قام سام ستيرنبيرج – عالم الكيمياء الحيوية بجامعة كولومبيا في مدينة نيويورك، وعالم الأحياء الكيميائي ديفيد ليو – من معهد برود التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة هارفارد في كامبريدج، ماساتشوستس – بتحسين أحد هذه الأنظمة لاستخدامه في الخلايا البشرية. ال نظام يسمى evoCAST، يمكنه إدخال ما يصل إلى 15000 قاعدة DNA في الخلايا البشرية، بما في ذلك في العديد من المواقع العلاجية ذات الصلة في الجينوم3.
لكن بعض تصميمات evoCAST تشتمل على ستة أو سبعة بروتينات، وهو ما يمثل ضغطًا كبيرًا على طرق التوصيل الحالية. يقول ستيرنبرغ: “كان أحد أهم نقاط التركيز هو تبسيط عدد المكونات إلى أقل عدد ممكن من الجزيئات، والعمل على طرق مختلفة لتوصيلها”.
على النقيض من ذلك، يتجه ميلر إلى «إعادة التركيب» – وهي تقنية تعتمد على إعادة التركيب الجيني المستخدمة لإعادة كتابة جينومات البكتيريا. مع وجود حوالي 1500 زوج قاعدي (بدون احتساب الحمض النووي للمتبرع)، يمكن تجميع نظامها في جينوم AAV واحد، اعتمادًا على حجم الحمض النووي للمتبرع.4. تحاول ميلر وزملاؤها تعزيز كفاءة النظام في الخلايا البشرية.
هناك فئة أخرى من العناصر الجينية المتنقلة، تسمى النواقل الرجعية R2، يمكن تسليمها بالكامل على شكل جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) المعبأة داخل جسيمات دهنية نانوية، والتي يمكن أن تحمل شحنات أكبر بكثير مما تستطيع المركبات الجوية الآلية.
لكن استهداف النواقل الرجعية لمناطق جينومية متميزة يتطلب إعادة هندسة مجال ربط الحمض النووي للنواقل الرجعية، وهي مهمة أكثر صعوبة بكثير من تغيير الحمض النووي الريبي الموجه. ونتيجة لذلك، يقوم الباحثون عادة بخياطة الحمض النووي للمتبرع في منطقة “الملاذ الآمن” المحددة مسبقًا من الجينوم، حيث من غير المرجح أن يسبب أي ضرر.
