ژن دهم | قیچی های ژنتیکی

هفتم سپتامبر 1997 روز اکران عمومی فیلم گاتاکا، اندرو نیکول سی و سه ساله و همکاراش حتی فکرش هم نمی‌کردن که فیلم علمی تخیلی ساخته‌ی خودش که وارد سینما شده خیلی زود به واقعیتی محض تبدیل بشه واقعیتی چند برابر شگفت انگیزتر از فیلمنامه‌ی خودش؛ با تماشای گاتاکا چند تا سوال اساسی پیش میاد:

آیا میشه با یه آزمایش خون ساده از یه نوزاد تازه متولد شده احتمال ابتلای اون رو به بیماری‌های پر خطر و شایع، مخصوصا بیماری‌های ژنتیکی برآورد کرد؟ آیا میشه زمان فرارسیدن مرگ اون نوزاد رو پیش‌بینی کرد؟ و آیا راه حلی هست که بشه بیماری‌ها رو حذف کرد و مرگ رو به تعویق انداخت؟

اگه هست اون راه حل چیه؟ کریسپر؛ یه قیچی زیستی عجیب اما ساده. با جزییات و کارکرد فوق‌العاده حساب شده و ارزون‌تر نسبت به بقیه‌ی سیستم‌های ویرایش و کلونینگ ژنی که اساسا از روش سیستم ایمنی یه موجود زنده گرفته‌شده، یه شاه‌کلید برای باز کردن خیلی از درهای بسته در دنیای ژنتیک.

عزیزان شنونده سلام، من سودا بصیری هستم میزبان شما در ژن‌کست؛ ژن‌کستی که به پدیده‌های دور و برمون با عینک ژنتیک نگاه می‌کنه و از اتفاقات روز، رفتارها و بیماری‌های انسانی از دریچه‌ی این علم شیرین و جذاب حرف می‌زنه و شما شنونده‌ی آخرین قسمت یعنی اپیزود دهم از فصل اول ژن‌کست هستین که در نیمه‌ی اول شهریور 1400 منتشر میشه و من قراره تو این قسمت در مورد تکنیک کریسپرکس‌ناین(CRISPR Cas9) و اینکه این تکنیک چی هست که تو دنیای علم چند سالیه که سر و صدا کرده با شما حرف بزنم. تکنیکی که بهتره با یه سری اطلاعات پایه، مثل دونستن ماهیت RNA DNA و ژنوم بریم سراغش.

اواخر سال 1986 یه دانشجو به نام یوشی‌زومی ایشینو(Yoshizumi Ishino) روی تز دکتراش که شناسایی و توالی یابی ژنوم یک نوع باکتری به نام اشرشیاکولای یا به اختصار E.coli کار می‌کرد. ای‌کولای یه باکتریه که محل زندگیش روده‌ی جانوران و ما انسان‌هاست و سویه‌های بی‌خطرش خیلی بیشتر از انواع خطرناکشه. ایشینو تو پنج ناحیه‌ی مختلف ژنوم باکتری ای‌کولای با فاصله‌های یکسان به توالی‌های بیست و نه بازی یا بیست و نه نوکلوتیدی رسید. که تکرارهای مشابه یا همولوگ داشتن و انقدر ساده از روی این مساله عبور کرد که حتی تو چکیده‌ی مقاله مربوط به تحقیق هم به این مسئله اشاره نکرد. همین پنج تا ناحیه‌ی مشابه تو این باکتری جذابیت خاصی برای محقق دیگه‌ای به نام فرانسیسکو موخیکا(Francissco Mujica) داشت.

موخیکا اون موقع یه دانشجوی ارشد در دانشگاه آلیکانته تو ساحل مدیترانه‌ای اسپانیا بود؛ که روی چندین نوع باکتری کار می‌کرد. همین نظم و تکرار توالی رو تو خیلی از باکتری‌های مورد مطالعه‌اش مشاهده کرده بود که این همه تشابه توالی اونو دچار شک کرد. این شکش باعث شد یک سری تغییرات تو چارچوب توالی‌های ژنوم باکتری‌های مختلف ایجاد کنه و فکر می‌کرد این روش توالی خوانی اونه که اشتباهه. یکم دست نگه‌ داشت و این تشابه توالی عجیب باعث شد موخیکا تو پروسه‌ی تحقیق عقب‌نشینی کنه.

تقریبا سه سال بعد یعنی حدود سال 1990 تکنیک‌های ژنتیکی به حدی پیشرفت کرد که توالی یابی دقیق ژنوم راحت شد و اون موقع بود که دانشمند ژنتیک مولکولی شک موخیکا رو به یقین تبدیل کردن. واقعیت این بود که این پنج ناحیه با فواصل مشخص و تعداد یا کدهای بازی ژنتیکی برابر از ثبات خاصی برخوردار بود و هیچ جوره نمی‌شد نادیده‌شون ‌گرفت. اگه یادتون باشه در مورد کدهای ژنتیکی تو اپیزود پنجم ژن‌کست هم مفصل حرف زدیم. ما متاسفانه همه‌ی باکتری‌ها را عوامل عفونی تصور می‌کنیم اما همشون برای انسان مضر نیستن و حتی خودشون هم در مقابل بعضی ویروس‌ها آسیب پذیرن و با سیستم ایمنی خیلی باحالی که دارن می‌تونن از خودشون مقاومت نشون بدن.

حالا این که سیستم ویرایش ژنی ما چه ربطی به سیستم ایمنی باکتری‌ها داره نکته‌ی اصلی ماجراست که اگه کمی صبرکنین متوجه قضیه میشین.

کشف توالی مشابه در بین ژنوم باکتری‌ها خبری بود که در نوع خودش جالبه، اما شگفت انگیزتر از اون پی بردن به تعلق نداشتن این ژنوم به خود باکتری بود یعنی انگار یه موجود مهاجم که مطمئنا یه ویروسه اومده یه سری جنجال تو ژنوم باکتری به راه انداخته و بعدش باکتری از این اتفاقا سربلند بیرون اومده و تو اون توالی بیست و نه نوکلئوتیدی یادداشتی برای یک آنزیم یا پروتئینی به اسم کس‌ناین که یه نوع قیچیه و کنار این توالی نشسته جا گذاشته.

یادداشتی با این مضمون: کس‌ناین(Cas9) عزیز مهاجمی که چند وقت پیش بهمون حمله ‌کرد این مشخصاتو داشته، یادت باشه‌ها. درست مثل کارت واکسیناسیونی که بعد از زدن واکسن بهمون میدن و روش می‌نویسن که ما در مقابل چه ویروسی واکسینه شدیم. به صورت جزئی اگه بخوام توضیح بدم اینه که سیستم دفاع باکتری در مقابل ویروس از دو قسمت تشکیل شده: اولین قسمت، قسمت‌های کوچیک از توالی‌های تکرار شونده DNA که Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPRs) نامیده میشه.

یعنی تناوب‌های کوتاه و فاصله‌دار خاص که خوشه خوشه و به طور منظم تکرار شدن؛ استفاده از این اسم دهن پرکن و تکرار مداومش واقعا سخته، که باعث شد از مخفف این عبارت یعنی کریسپر((CRISPR استفاده بشه. قسمت دوم این سیستم ایمنی پروتئینی که در کنار این کریسپره و خاصیت آنزیمی داره و می‌تونه DNA مثل یه قیچی ببره، اسم این جز کس‌ناینه(Cas9). زمانی که ویروس به باکتری حمله می‌کنه کس‌ناین قسمتی از DNA ویروس رو می‌بره. همین تیکه‌ی بریده شده‌ی ویروس رو به DNAباکتری می‌دوزه که تو حافظه‌ی ژنوم یه باکتری به یادگار بمونه، که چه نوع ویروسی با چه مشخصاتی حمله کرده، همون کارت واکسنی که گفتم؛ تو ژنوم هر موجودی از جمله خود باکتری انواعی از RNAها وجود داره.

یه نوع RNA که تو کریسپر نقش مهم داره RNAراهنما یا Guide RNA گاید RNA به Cas9 وصل میشه و یه ترکیب قدرتمند تشکیل میشه.این ترکیب مثل یه سربازیه که تو برج دیده‌بانی تفنگ به دست داره نگهبانی میده که بر اساس لیست ویروس‌هایی که قبلا بهش حمله شده و نابودشدن و تو حافظه‌ی ژنومی باکتری ثبت شده هر جنبنده‌ای رو شناسایی می‌کنه و هرگونه مشابهت مواد معلق با اسامی موجود تو لیست رو نشون میده و کیو کیو بنگ بنگ، از بین می‌بره.

خب شاید تا اینجا بگین که این که سیستم ایمنی باکتریه خب که چی؟ سال 2012 دانشمندا از جمله پروفسور جنیفر داودنا(Jeniffer (Doudnaتوجه خاصی به این سیستم ایمنی کردن و متوجه شدن مکانیزم کریسپر به شکلیه که می‌تونه DNAهای غیر ویروسی رو هم تحت نفوذ خودش قرار بده یعنی ژنوم یک موجود دیگه تو هر ارگانیسمی می‌تونه هدف باشه. اگه از ابزارهای درستی استفاده بشه این سیستم ایمنی می‌تونه به یک سیستم تغییر و ادیت فوق‌العاده با دقت بالا که موقع اصلاح یه ژن کمترین آسیب رو به بقیه ژن‌ها می‌رسونه تبدیل بشه، یه ادیت به راحتی تصحیح یه اشتباه تایپی و در واقع اگه این سیستم تو ژنوم ما تعبیه بشه یعنی همه‌چیز.

یعنی مشکلات تنفسی و ریوی حاد، نقص عضوها، جهش‌های ژنتیکی خطرناک، انواع سرطان‌ها می‌تونن ریشه کن بشن و حتی واژه‌ی بیماری و نقص از دایره‌ی لغاتمون می‌تونه حذف بشه. مثلا یه سری اطلاعات در قالب کد ژنتیکی به این قیچی وارد می‌کنیم و این قیچی و سیستم عاملش یه شخص ضعیف قدکوتاه با استعداد ابتلا به فشار خون یا سرطان رو به یه فرد قد بلند سالم که می‌تونه فرزندانی قد بلند و سالم هم به دنیا بیاره تبدیل کنه، فوق‌العاده نیست؟

و معجزه‌ی کریسپر به انسان و باکتری محدود نمیشه، روش کار این تکنیک نقشه‌ی راهی شد که بشه به دوباره احیا کردن بعضی گونه‌های منقرض شده مثل ماموت‌ها فکرکنیم یا مثلا به تولید میوه‌های باکیفیت‌تر یا با اندازه‌های دلخواه خودمون یا خاموش کردن یه ویژگی خاص تو یه نوع پشه‌ی موذی که برای ما انسان‌ها ضرر داره. یعنی مثل نویسنده‌ی فیلم‌های تخیلی بشینیم و به هر چیزی که فکر می‌کنیم دور از دسترسه با کریسپر ملموس‌تر و عملیش کنیم؛ چه در مورد ما انسان‌ها و چه در مورد گیاهان و جانورانی دیگه. این برش‌ها و شکست‌هایی که کریسپر ایجاد می‌کنه هر دو رشته‌ی DNAدو رشته‌ای رو از هم باز می‌کنه و هر ژنی که کریسپر مورد حمله قرار میده دیگه غیر قابل استفاده یا به اصطلاح خاموش میشه.

این اتفاق شاید در مورد ژنوم ویروسی خیلی خوب باشه اما برای اصلاح ژن‌های دیگه این یه ایراده، واسه همینه که گفته میشه این هنوز آغاز راه برای کریسپره. هر تغییری که این سیستم ویرایش بخواد ایجاد کنه یه تغییر پایدار خواهد بود، یعنی حفظ میشه و به نسل بعدی هم انتقال پیدا می‌کنه. در مورد تغییرات خوب این ثبات خیلی خوبه، مثلا من سعی می‌کنم یه ژن معیوب مربوط به یک نوع بیماری ژنتیکی به نام دیستروفی عضلانی خودم‌ رو که تا نسل‌ها در شجره نامه خانوادگیم وجود داشته با کریسپر اصلاح کنم. بعد از اصلاح دیگه اثری از این بیماری نه در من و نه در فرزندان من خواهد بود، اینجا فقط میشه گفت وای چقدر عالی.

اما اگه این سیستم با حذف ژن معیوب دیستروفی، بزنه و یه سری ژن سالم بغلی رو هم خراب کنه چی؟ تازه قضیه یه ایراد کوچولوی دیگه هم داره؛ این تصور ماست که دیگه کلا بیماری حذف میشه، هر صفتی برای تعریف شدن در بدن ما یه نسخه در پدر و یک نسخه در ژنوم مادرمون داره. یعنی حتی اگه طبق مثالی که زدم مثلا مشکل دیستروفی من نوعی کاملا حل بشه و همسرم ژن معیوب این بیماری رو داشته باشه ممکنه این ژن باز هم به فرزند من، حتی به صورت ناقص منتقل بشه. اینا ابهاماتیه که در مورد کریسپر وجود داره.

سال 2019 دانشمندای دانشگاه هاروارد روی یکی از ایرادهای کریسپر کار کردن و روش پرایم ادیتینگ(Prime Editing) که ورژن جدیدی از کریسپر هست رو ارائه دادن. اجزای تشکیل دهنده و روش ویرایش پرایم ادیتینگ از کریسپر الگوبرداری شده و تنها مزیت اون اینه که این بار دامنه‌ی ویرایشش دقیق‌تره و برش، حذف و حتی اضافه کردن قطعه‌ای اگه بخواد صورت بگیره آثار مخرب خیلی خیلی کمتری به توالی‌های مجاور ژن مورد نظرمون داره. واسه همینه ارزش این خبر با خبر جایزه‌ی نوبل شیمی پروفسور داودنا و همکارش می‌تونه برابری کنه. اما هنوز روش پرایم ادیتینگ در سطح گسترده‌تری مثل استفاده از کریسپر جا نیفتاده.

کریسپر در آغاز با هدف درمان نابینایی‌ها، انواع سرطان‌ها و نوع کم خونی بنام کم‌خونی داسی‌شکل به کار گرفته شد. تو بیماری کم‌خونی داسی‌شکل گلبول‌های قرمز خون شکلی شبیه داس پیدا می‌کنن و همین بدشکلی باعث میشه اکسیژن خون درست منتقل نشه و فرد به نوعی کم‌خونی حاد دچار بشه.

اما سال 2020، داودنا و تیمش بیشتر به فکر ریشه‌کنی پاندمی کرونا با همین روش افتادن. داودنا اعتقاد داشت کریسپر به دلیل جنگ طولانی مدت باکتری با ویروس تکامل پیدا کرده و ما انسان‌ها در حال حاضر وقت نداریم منتظر بمونیم تا سلول‌های خودمون مقاومت طبیعی خودشون رو در برابر این ویروس ایجاد کنن، بنابراین ما باید از نبوغ خودمون برای این کار استفاده کنیم.

فعلا اگه بخوایم خلاصه از چندین مقاله‌ای که در مورد به کارگیری کریسپر برای درمان کرونا چاپ شده رو داشته باشیم می‌تونیم بگیم بیشتر از پیشرفت در زمینه‌ی کلی کریسپر، در زمینه‌ی ساخت RNA‌های آزمایشگاهی نتایج فوق‌العاده‌ای به دست اومده. همون RNA‌هایی که می‌رفتن می‌چسبیدن به Cas9 و شروع می‌کردن به قیچی قیچی کردن ویروس‌ها و این یعنی یکی از اجزای مهم این ویرایشگر شگفت‌انگیز تمایز خاصی پیدا کرده.

اینکه دانشمندا رو یک یک اعمال کریسپر این همه ریز شدن، باعث میشه اونو زودتر به هدف نزدیک کنه و حتی به سوالاتی که توی مقدمه‌ی این اپیزود مطرح شد یه سوال دیگه با یه جواب غافلگیر کننده اضافه بشه. این که آیا میشه قبل از به دنیا اومدن یه بچه یک یا خیلی از ویژگی‌ها و نقص‌های ژنتیکی خاصشو تغییر داد؟ کریسپر به این سوال هم جواب بله میده.

اما همه‌ی این اتفاقاتی که میتونه بیوفته تو هاله‌ای از ابهام به خاطر مسائل اخلاقی قرار میگیره؛ چرا؟ خب باید اینطور بگم، مثلا نابود کردن بیماری خوبه یا تو خوشحال کننده بودن خبر حذف یک ژن آسیب رسان به بدن ما که تو یه نوع پشه‌ست که از قضا این پشه هم ما رو نیش میزنه شکی نیست یا اینکه این سیستم ویرایش می‌تونه ورژن خوشگل‌تر و بی‌نقصتری از ما ارائه بده خیلی خوبه اما یه درصد فکر کنیم اهداف شومی را همیشه با کریسپر در سر پروروند.

مثلا به جای طبیعی ژن حاوی ویتامین خاص یه سم کشنده رو وارد ژنوم گیاه کرد و اونو به تولید انبوه رسوند و بین افراد یک جامعه پخش کرد یا دومین مشکل اخلاقی که به وجود میاد اینه که کریسپر این اجازه رو به پدر و مادر بچه‌ای که هنوز پا به این دنیا نذاشته میده که تصمیمات خودخواهانه‌ای بگیرن و یه جورایی ارزش فرزندآوری به حدی یه چیزی مثل خرید اینترنتی یه کالا تنزل پیدا کنه.

شاید بگیم مگه کم کردن درد و رنج ناشی از بیماری بده؟ خب نه، ولی ذات انسان زیاده‌خواهیه و مطمئنا مساله به ادیت یه سری بیماری ختم نمیشه و حتی خصوصیات رفتاری و ظاهری فرزند هم زیر ذره‌بین قرار می‌گیره. اصلا بعد یه مدت می‌بینی کلی بچه شبیه هم به دنیا اومده، چون سلیقه‌ی مادرا و پدرها می‌تونسته مشابه باشه که اینجا می‌رسیم به قضیه‌ی فرگشت و تکامل که نمی‌خوام وارد این حوزه‌ها بشم. وقتی به این بعد قضیه فکر می‌کنیم می‌بینیم که کریسپر به اون آسونیا هم که فکر می‌کنیم نیست.

اما حتی اگه با این مسائل اخلاقی که غیر قابل چشم پوشیه بتونیم کنار بیایم، رسیدن به این درجه از پیشرفت در زمینه‌ی ویرایش ژنوم خیلی دوره. حتی با اینکه چشم‌انداز دقیقی برای این تکنیک خارق‌العاده تعریف نشده اما تا به حال خبرهای بدی هم در موردش به دستمون نرسیده. مثلا اینکه دانشمندان چینی حتی در مورد درمان HIVو تغییر ژنی ویروس ایدز به نتایج قابل قبولی رسیدن.

با وجود همه‌ی این چالش‌های اخلاقی و حتی تکنیکی برای کریسپر یه واقعیتی هست که باید بپذیریم و اون هم اینه که کشف همچنین ویراستار مولکولی دقیق و کوچیک تو گوشه‌ی ژنوم یک موجود چند میکرونی باعث شده رویکرد علم ژنتیک تحت تاثیر قرار بگیره و اگه این تکنولوژی دست کسایی بیفته که معتقدند علم برای آسان کردن مسیر زندگیه، می‌تونه اتفاقاتی در حد معجزه یا آرزو رو به خاطره‌های شیرین تبدیل کنه. مثل یک چاقوی جراحی که می‌تونه زندگی ببخشه یا حیاط یه موجود زنده رو تهدید کنه.

این اپیزود با برداشتی از کتاب جدید و جذاب The Code Breakerنوشته والتر ایزاکسون(Walter Isaacson) بود که در مورد زندگی پروفسور جنیفر داودنا و کارهاش و سیر تحولات پیرامون تکنیک کریسپر منتشرشده.

بقیه قسمت‌های پادکست ژن‌کست را می‌تونید از طریق CastBox هم گوش بدید.