برنامه رستاخیز: کنترل جنسیت با کریسپر

غلبه ویرایش ژنتیکی بر انتخاب طبیعی

محققان نشان دادند که با استفاده از کریسپر می‌توان جنسیت فرزندان موش‌ها را برحسب دلخواه مشخص کرد. دانشمندان معتقدند که می‌توان از این فناوری برای تعیین جنسیت گوساله‌ها و جوجه‌ها در مزرعه استفاده کرد!

این سوال که"پسر میخوای یا دختر؟" می‌تواند یک سوال ناخوشایند باشد. اما در برخی حوزه‌های خاص، این سوالی است که زیاد پرسیده می شود و اهمیت اقتصادی دارد.

کشاورزی را در نظر بگیرید که مایل است تمام گوساله‌ها، ماده باشند یا جوجه‌ها همه مرغ شوند. در مزرعه‌ای که جنس نر نه تخم می‌گذارد و نه شیر می‌دهد، زمان زیادی باید منتظر بود تا جنسیت دام و طیور مشخص شود. در چنین فضایی سالانه حیوانات نر زیادی از بین برده می‌شوند تنها به این دلیل که فایده بخشی اقتصادی کمتری دارند.شاید راه بهتری برای جلوگیری از هدر رفت منابع وجود داشته باشد.

یک تیم تحقیقاتی از قدرت CRISPR برای کنترل جنسیت فرزندان در موش استفاده کردند. با قرار دادن اجزای CRISPR در ژنوم والدین، این تیم موفق شد کلیدی را روشن یا خاموش کند که تقریباً جنسیت فرزندان موش‌ها را مشخص می کرد.

برخلاف تلاش‌های قبلی، بچه موش‌ها می‌توانستند فرزندانی از هر دو جنس داشته باشند. ژن مورد نظر مورد استفاده برای ویرایش در سراسر زنجیره زاد ولد حفظ شده است، که نشان می‌دهد این روش می‌تواند در حیوانات بیشتری به جز موش‌ها کار کند.

هرچند که این نتایج بحث برانگیز است، چرا که این روش به طور انتخابی جنین‌های یک جنس خاص را از بین می برد، که بلافاصله موضوعات اخلاقی پررنگ می‌شود. در حال حاضر، دانشمندان به دلیل پیچیدگی فناوری مورد استفاده در انسان، نگران نتایج این پروژه نیستند. اما این مطالعه جدیدترین کار پژوهشی است که توانایی فزاینده زیست فناوری در دستکاری تولید مثل را نشان می‌دهد.

دکتر ایهود کیمرون که قبلا در یک مطالعه دیگری رئی این موضوع کار کرده، گفت: این یک "نتیجه چشمگیر" و "راه حلی پیشرفته برای تولید گونه‌های تک جنسیتی" است.

تغییر جنسیت فرزندان چیز جدیدی نیست. برای بیش از یک دهه، دانشمندان به تدریج ژنوم نوعی پشه را با محرک‌های ژنی دستکاری کردند. ایده این است که ویرایش ژنتیکی بر انتخاب طبیعی غلبه کند و در نسل‌های بعدی به یک ژن «مسلط» گسترش یابد. به جای احتمال ارث 50-50 معمول یک ژن، محرک های ژن مصنوعی شانس بسیار بیشتری برای نفوذ به نسل بعدی دارند که اساساً کد ژنتیکی یک گونه را تغییر می دهد. وقتی این ژنی است که جنسیت فرزندانشان را تعیین می‌کند، یک گونه به تدریج می‌تواند تنها یک جنسیت داشته باشد که منجر به انقراض آنها شود.

این یک برنامه رستاخیز با مزایای بالقوه گسترده است، مانند مهار مالاریا. از آنجایی که پشه های ماده به طور کلی ناقل این بیماری هستند، یک محرک ژنی که تنها به نرها منتهی می شود، یک راه مطمئن برای کاهش انتقال است. در یک مطالعه، طی ده‌ها نسل، ویرایش ژنتیکی برای از بین بردن کلنی پشه‌ها در آزمایشگاه کافی بود. مطالعات مشابهی روی موش‌ها انجام شده است.

این یک راه حل کامل نیست. در مورد حیوانات مزرعه، هدف از بین بردن یک گونه نیست، بلکه هدف تغییر تعادل جنسیت حیوان به یک طرف و افزایش رفاه است. نویسندگان می‌گویند: "محصولات حیوانی در سطح جهانی استفاده می‌شوند و بحث‌های اخلاقی در مورد استفاده از حیوانات ادامه دارد. بیش از 100000 گوساله نر هر سال معدوم می‌شوند و آمار مربوط به سایر حیوانات مزرعه نیز تصویری مشابه را ترسیم می کند"

کریسپر چگونه به کنترل جنسیت کمک می کند؟

اولین قدم، یافتن ژنی است که برای بقای جنین حیاتی است - ژنی که وقتی مختل شود باعث "کشندگی مصنوعی" شود. این ژن Top1 است که به خاطر نقشش در ترمیم DNA شناخته شده است (این ژن یک DNA توپوایزومراز را کد می کند) بریدن این ژن باعث می شود که جنین ها در مراحل اولیه از کار بیفتند، زمانی که فقط 8 تا 16 سلول هستند، هنوز در دیواره رحم کاشته نشده اند و به دور از حیات هستند.

سپس تیم تحقیقاتی یک سیستم CRISPR را مهندسی کردند که کدون های شروع Top1 را هدف قرار می دهد - تکه ای از DNA که به عنوان یک کلید روشن برای فعال کردن ژن عمل می کند. بخش هوشمندانه اینجاست. آنها دو جزء CRISPR را به دو بردار تقسیم کردند.

یک قسمت، که حامل کد ژنتیکی یک RNA راهنما است که Top1 را هدف قرار می دهد، سپس در کروموزوم X موش ماده قرار دادند. بردار دیگر، حامل کد Cas9 "قیچی" در کروموزوم Y مرد ویرایش شد.

هنگامی که این دو جزء با هم ترکیب می شوند، مانند کره بادام زمینی و ژله به هم می رسند و دستور غذای کامل را تشکیل می دهند تا Top1 را مختل کنند. این فقط می تواند در جنین های X/Y اتفاق بیفتد - آنهایی که نر را تعریف می کنند - و بنابراین به طور انتخابی رشد این جنین ها را متوقف می کند. X/X یا جنین‌های ماده ژنتیکی در امان هستند، زیرا فقط نیمی از مکانیسم CRISPR را در خود دارند. سیستم منعطف است. اگر قیچی Cas9 به کروموزوم X نر متصل می شد، تمام جنین های X/X قبل از رشد به 16 سلول از بین می رفتند.

بازده ویرایش 100 درصد دیوانه کننده بود. موش‌های متولد شده از این والدینی که از نظر ژنتیکی ویرایش شده بودند، کاملاً طبیعی بودند، با جثه بدنی سنگین و تعداد آنها بیشتر از حد معمول انتظار می‌رفت، که نشان می‌دهد این ویرایش ممکن است استرس کمتری بر مادر وارد کند. بر خلاف موش هایی که با استفاده از درایوهای ژنی (https://singularityhub.com/2019/02/06/controversial-gene-drives-just-worked-in-mammals-for-the-first-time/) متولد شده بودند، موش ها به گونه ای رشد کردند که فرزندان کاملاً طبیعی با نتاج نر و ماده داشتند.

مدت طولانی است که روی این موضوع کار می شود. در سال 2019، تیمی به سرپرستی دکتر اودی کیمرون در دانشگاه تل‌آویو از CRISPR برای تولید موش‌هایی استفاده کردند که 80 درصد فرزندانشان ماده بودند. با مطالعه جدید، با انتخاب هر دو جنس، اثربخشی به 100 درصد می رسد. در صورت آزمایش بیشتر بر روی حیوانات مزرعه، این تکنیک می تواند هم برای رفاه و هم حفاظت از حیوانات تقویت شود.

اظهار نظر به سو لیری، رئیس بنیاد غیرانتفاعی تحقیق و توسعه جایگزین‌ها (Alternatives Research & Development Foundation) نیز جالب است: "شما نمی توانید یک مشکل اخلاقی را با یک مشکل اخلاقی دیگر، که مهندسی ژنتیک است، حل کنید." صرف نظر از اثربخشی، ممکن است این موضوع "آّب در هاون کوبیدن " باشد.

در حال حاضر، ویرایش‌های CRISPR به دلیل پیچیدگی‌هایشان برای انسان‌ها امکان‌پذیر نیست. با این حال، آنچه واضح است این است که ما شروع به تجزیه و تحلیل ماشین‌های بیولوژیکی پشت انتخاب جنسیت کرده‌ایم. کارهای اخیر روی جنین های مهندسی شده ژنتیکی، یا تخمک ها و اسپرم های سلول های بنیادی را اضافه کنید، و ما در مسیر سریعی هستیم که CRISPR تصور فعلی ما از تولید مثل را تغییر دهد.

https://www.embopress.org/doi/full/10.15252/embr.201948269

https://www.science.org/content/article/gene-editing-produces-all-male-or-all-female-litters-mice

https://singularityhub.com/2019/02/06/controversial-gene-drives-just-worked-in-mammals-for-the-first-time/

https://singularityhub.com/2021/12/21/scientists-used-a-crispr-trick-to-choose-the-sex-of-offspring-in-mice/