ویرایش ژنوم؛ نرم افزار Microsoft Word بدن انسان

مهندسی ژنتیک پایه و اساس زیست­ فناوری مدرن می باشد. اساس مهندسی ژنتیک نیز ویرایش ژنوم موجودات مختلف به منظور ایجاد صفات برتر و یا رفع یک نقص می ­باشد. ویرایش ژنوم در زمینه ­های مختلفی به کار برده می ­شود که از جمله می ­توان به کاربردهای آن در کشاورزی، پزشکی و محیط زیست اشاره کرد.

برای بسیاری از زیست­ شناسان سلولی و مولکولی جریان اطلاعات پیرامون ژنوم انسان افق جدیدی را در تحقیقات ایجاد کرده است. تحقیقات زیست شناسی مولکولی، بررسی فیزیولوژی و ساز و کار مسیرهای شیمیایی و سیستم ­های ژنتیکی امروزه در اولویت تحقیقات سازمان ­های سلامت­ محور می ­باشد. معرفی فناوری DNA نوترکیب در سال 1970 عصر جدیدی در حوزه زیست­ فناوری گشود. با ارائه این فناوری برای اولین بار محققان زیستی توانستند مولکول­ های DNA را به منظور ابداع راهکارهای درمانی جدید دستکاری نمایند. ابزارهای ویرایش ژنوم امروزه در پزشکی برای ژن درمانی، تولید دارو و واکسن ­های نوترکیب و ویرایش ژنوم سلول­ های بنیادی به سرعت در حال پیشرفت هستند. تولید حیوانات ترانسژن با اهداف تجاری و پزشکی نیز بر اساس راهکارهای مهندسی ژنتیک می ­باشد.

در سال­های اخیر دانش ما در زمینه ژنتیک به شکل چشم­گیری افزایش داشته است و فناوری­های متعددی به شکل ابزاری نوین در تحقیقات زیست ­شناسی، زیست­ فناوری و ژنتیک به کار گرفته شده ­اند. از زمان تحقیقات توماس مورگان در سال 1910 میلادی و اثبات این که ژن­ها روی کروموزوم ­ها قرار گرفته ­اند و قابل انتقال به نسل بعد هستند تا به امروز تلاش­های فراوانی جهت درک فرایندهای ژنتیکی صورت گرفته است.

در پژوهش ­های پایه و کاربردی زیست ­فناوری، توانایی ایجاد تغییرات هدفمند در ژنوم پستانداران، دارای اهمیت است. این تغییرات اختصاصی و هدفمند در ژنوم و اطلاعات زیستی موجود زنده را ویرایش ژنوم می ­نامند. به عبارت دیگر ویرایش ژنوم نوعی مهندسی ژنتیکی است که DNA در ژنوم یک موجود زنده وارد، حذف، اصلاح یا جایگزین می­ شود. برای طیف وسیعی از بیماری­های ژنتیکی که در اثر جهش در یک ژن ایجاد می­ شوند درمان با ژن درمانی روشی موثر به شمار می­ آید. راهکارهایی با میانجی­گری ویروس برای تحویل کارآمد ژن بیگانه به ژنوم پستانداران توسعه یافته است. با این وجود فرایند ورود ژن بیگانه به ژنوم پستانداران اغلب تصادفی بوده که این پدیده، ممکن است ژن ­های درونی معینی را تخریب کرده و به فنوتیپ ­های غیر قابل پیش بینی که استفاده وسیع از این فناوری را محدود می­ کند بینجامد.

زیست شناسان مدت زیادی است که از ابزارهای مولکولی جهت ویرایش ژنوم استفاده می­کنند. اواخر دهه 1980 روش­هايي براي هدف گيري اختصاصي ژنوم مبتني بر استفاده از سلول­هاي بنيادي جنيني و نوتركيبي هومولوگ مطرح شد. اگرچه متاسفانه به علت محدوديت­هاي نوتركيبي هومولوگ براي هدف گيري اختصاصي ژنوم تنها در برخي از سلول­هاي خاص، تعميم دادن اين فناوري به ساير انواع سلول ­ها و سيستم­هاي یوکاریوتی امکان پذیر نبود. تلاش براي طراحي يك روش كارآمد كه قادر به ایجاد شکست دو رشته [1] باشد موجب ايجاد تغييرات در ژنوم انواع سلول­ ها شد. توانايي القای شكست دو رشته در ژنوم به شكل هدفمند و در جايگاه اختصاصي اين اجازه را به پژوهشگران مي ­دهد كه انواع تغييرات را در ژنوم مورد نظر ايجاد كنند. نوکلئازهای مهندسی شده با وجود قرار داشتن در مرحله مقدماتی، برای ورود ژن بیگانه به درون یک توالی خاص، در حال توسعه بوده و البته در ایجاد تغییرات ژنتیکی مورد نظر در ارگانیسم ­های متفاوت موفقیت ­هایی نیز داشته ­اند. اهمیت ویرایش ژنوم با میانجی­گری نوکلئازهای مهندسی شده، طوری بوده که به عنوان روش سال 2011 توسط Nature Methods مطرح شده است.

در سال‌های اخیر معرفی نوکلئازهای برنامه ریزی شونده کارایی ویرایش هدفمند ژنوم را تا حد زیادی افزایش داده است. نوکلئازهای برنامه ریزی شونده را می­توان در چهار کلاس اصلی طبقه بندی کرد. مگانوکلئازها (MN)، نوکلئازهای انگشت روی (ZFN)، نوکلئازهای موثر شبیه فعال کننده رونویسی (TALEN) و کریسپر (CRISPR-Cas).

عملکرد همه این ابزارها شامل شناسایی و اتصال اختصاصی به DNA هدف و سپس ایجاد برش دو رشته­ای (DSB) در آن می ­باشد . در سه کلاس اول، بخش شناسایی کننده DNA از جنس پروتئین است. در نتیجه به کارگیری این سیستم­ها به دلیل نیاز به طراحی و مهندسی پروتئین در هر آزمایش بسیار سخت، زمان بر و پر هزینه می­باشد. در حدود ده سال پیش، به کارگیری نوکلئازهای انگشت روی عملکرد دقیق و مؤثری داشتند و هیجان زیادی را ایجاد کرد. اما به علت سختی مهندسی و قیمت بالا، چندان مورد اقبال واقع نشدند. در سیستم CRISPR-Cas بخش شناسایی کننده DNA هدف از جنس RNAاست. در نتیجه این سیستم نسبت به سیستمهای دیگر بسیار سریع، ارزان و ساده است. ابزارهای ویرایش ژنوم

باید اذعان کرد این علم خیلی سریع‌تر از قوانینی که برایش وضع می­ کنیم پیش می‌رود. در سال­هاي اخير پيشرفت های قابل توجهی در حوزه توالي ­­يابي و پروفايلينگ ژن ­ها رخ داده است. اين پيشرفت ­ها مرهون فناوري­ هاي نوين توالي­ يابي موازي و گسترده است و با توجه به اين كه هنوز چالش بزرگي در رابطه با ويرايش دقيق ژنوم پيش روي پژوهشگران است و بزرگترين سد، عدم توانايي در بسط دادن اين اطلاعات در كاربردهاي باليني می باشد، نياز رو به رشدي براي تکنیک ­های نوين مهندسي ژنتيك با توانايي هدفگيري دقيق و با كارايي بالا و به صرفه همچنان احساس مي­ شود. کشف قيچي ­هاي مولكولي به همراه توانايي آن ­ها در ايجاد تغييرات هدفمند در نقاط مشخصي از ژنوم، به بررسي­ هاي كاركردي ژنوم و اپي ­ژنوم (تغییرات DNA که توالی آن را عوض نمی­ کند و می‌تواند روی فعالیت ژن اثر بگذارد) منجر شده است. اين تکنیک ­ها با افزايش فهم پژوهشگران در رابطه با اساس مولكولي بيماري ­ها و تسهيل درمان­ هاي نوين ژنتيكي كمك شاياني به علم ژنتيك پزشكي كرده است.

در این بین CRISPR قوی سبقت را از همه روش ­ها ربوده و پیشتاز می ­باشد. کریسپر فناوری قدرتمندی در ویرایش ژنی است که قطعا بعد از PCR بزرگترین تغییر دهنده قواعد بازی ژنتیک محسوب می­ شود. سادگي سيستم CRISPR/Cas9، دستورزي راحت و قابليت هدفگيري چندگانه، CRISPR/Cas9 را به عنوان سيستم منتخب در بسياري از پژوهش ­ها تبديل كرده است.

کریسپر اختصار یافته ­ی واژه ­ی Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats است که معنای لفظی آن تناوب­ های ِ کوتاه ِ پالیندروم فاصله ِدار ِ منظم خوشه ­ای است.

کریسپر در واقع سیستم‌ دفاعی سازش یافته است که در ارگانیسم‌های پروکاریوت ­ها برای مقابله علیه نوکلوئیک اسیدهای خارجی عمل می‌کند. همانند روش تداخل RNA (RNAi) که در موجودات یوکاریوتی وجود دارد. کریسپرها در 40 درصد از ژنوم باکتری­ های توالی ­یابی شده و در 90 درصد از آرکئی باکتری­ ها یافت می­ شوند. ویژگی که این فناوری را از فناوری­ های پیشین خود متمایز می­ سازد کم هزینه ­تر بودن بهره برداری و دقت بالای آن است. با این که کشف اولیه کریسپر به سال 1984 بر می ­گردد و سال ­ها پژوهشگران در این حوزه معتقد بودند این توالی کوتاه، DNA بی ارزش (junk) است اما در سال ­های اخیر پژوهشگران یافتند که این توالی نه تنها بی ارزش نیست بلکه همراه با پروتئین cas 9 می ­تواند هر قسمت از DNA را برش دهد یا قسمتی از ژن را خاموش کند.

اگر قرار باشد به طور خیلی ساده و غیر علمی فناوری کریسپر را تعریف کنیم آن را به نرم افزار ورد مایکروسافت آفیس تشبیه می­ نماییم. همان طور که با این نرم افزار می­ توان هر جمله ­ای را ویرایش نمود یا واژگان را در سطور مختلف پاک یا جابه ­جا نمود، فناوری کریسپر هم می­ تواند توالی DNA را ویرایش و ژن­ها را خاموش یا جابه ­جا نماید. دانشمندان دریافتند این سیستم به آن­ها امکان می­ دهد با دقتی بی­ سابقه، هر ژنی را در هر کدام از 23 کروموزوم انسان تغییر دهند، بدون اینکه به جهش ژنتیکی نیاز باشد. از سوي ديگر با استفاده از سيستم CRISPR-Casو ايجاد انواع الگوهاي بيماري در حيوانات الگو، مي ­توان مطالعات گسترده ­اي در رابطه با بيماري هایی با اساس ژنتيكي انجام داد.

انتظار مي­رود كه در آينده­اي نه چندان دور پژوهشگران به ارتقای اين فناوري در ابعاد متفاوتي مانند دقت در هدف گیری، انتقال و كنترل بر روي هدف­ گيري به هنگام فرايندهاي ترميمي، مبادرت بورزند.

مطلب بالایی برگرفته از کتاب "ویرایش ژنوم، زیست شناسی تا فناوری" است. هدف این کتاب جلب توجه بیشتر محققین علوم زیستی به فناوری ­های ویرایش ژنوم و توجه هر چه بیشتر به اقتصاد زیستی می ­باشد. گرد­آوری داده ­های مرتبط در این حوزه در قالب یک مجموعه مدون فرصت استفاده بهینه از مطالب را فراهم کرده است. در این کتاب تلاش شده است تا به­ روز­ترین اطلاعات پیرامون موضوعات ویرایش ژنوم انسانی، جانوری و گیاهی ترجمه، گردآوری و ارائه گردد.

در این کتاب چشم ­اندازها و کاربرد­های فناوری ویرایش ژنوم نیز به عنوان بخش مجزایی آورده شده است تا نقشه راه کاربردی برای تحقیقات پژوهشگران و دانشجویان علاقمند در اختیار دهد. بعد از توضیح در رابطه با مباحث پایه ژنتیکی و مفاهیمی چون نوترکیبی، دستکاری ژنی و توالی­ یابی به معرفی ابزارهای ویرایش ژنومی پرداخته شده است و آخرین ابزار کارآمد که CRISPR می ­باشد به بحث گذاشته شده است. در پایان نیز کابردهای این فناوری در حوزه ­های مختلف بیان شده است.