به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، مطالعات ژنومی بیماران سرطانی هزاران جهش مرتبط با رشد تومور را نشان داده است. با این حال، برای اکثریت قریب به اتفاق این جهش‌ها، محققان مطمئن نیستند که چگونه آنها در ایجاد سرطان نقش دارند، زیرا هیچ راه آسانی برای مطالعه آنها در مدل‌های حیوانی وجود ندارد. در پیشرفتی که می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا در فهرست طولانی جهش‌های ناشناخته نفوذ کنند، محققان MIT راهی برای مهندسی آسان جهش‌های مرتبط با سرطان در مدل‌های موش ایجاد کرده‌اند. با استفاده از این تکنیک که مبتنی بر فناوری ویرایش ژنوم CRISPR است، محققان مدل‌هایی از چندین جهش مختلف ژن عامل سرطان Kras را در اندام‌های مختلف ایجاد کرده‌اند. آنها معتقدند که این روش می‌تواند برای تقریباً هر نوع دیگری از جهش سرطانی که شناسایی شده است نیز استفاده شود. چنین مدل‌هایی می‌تواند به محققان کمک کند داروهای جدیدی را که این جهش‌ها را هدف قرار می دهند شناسایی و آزمایش کنند. Tyler Jacks ، پروفسور زیست شناسی از موسسه Koch برای تحقیقات سرطان یکپارچه در MIT و یکی از نویسندگان ارشد مطالعه، یکی از اعضا، می‌گوید: «این یک ابزار فوق العاده قدرتمند برای بررسی تأثیرات اساساً هر جهش مورد علاقه در یک حیوان دست نخورده و در کسری از زمان مورد نیاز برای روش‌های قبلی است.  Francisco Sánchez-Rivera، استادیار زیست شناسی در MIT و عضو مؤسسه کخ، و David Liu، استاد گروه شیمی و زیست شناسی شیمیایی دانشگاه هاروارد و یکی از اعضای مؤسسه اصلی مؤسسه براد، نیز نویسندگان ارشد این مقاله هستند. این مطالعه در Nature Biotechnology منتشر شده است.

ایجاد جهش‌های هدفمند با تکنیک ویرایش ژنوم

تعیین توالی ژنوم سلول‌های تومور هزاران جهش ژنتیکی مرتبط با سرطان را نشان داده است. با این حال، غربال کردن این سیل اطلاعات برای فهمیدن اینکه کدام یک از این جهش‌ها واقعاً باعث رشد سرطان می‌شوند، ثابت کرده است که فرآیندی خسته‌کننده و زمان‌بر است. محققان MIT اکنون روش جدیدی برای مدل‌سازی اثرات این جهش‌های ژنتیکی در موش‌ها ایجاد کرده‌اند. رویکرد آنها، بر اساس تکنیک ویرایش ژنوم معروف به CRISPR، بسیار سریع‌تر از استراتژی‌های موجود است که نیازمند مهندسی ژنتیکی موش‌هایی است که حامل جهش‌های سرطانی هستند.

CRISPR که در اصل توسط زیست شناسانی که سیستم ایمنی باکتریایی را مطالعه می کردند کشف شد، شامل مجموعه ای از پروتئین‌ها است که باکتری‌ها برای دفاع از خود در برابر باکتریوفاژها (ویروس هایی که باکتری ها را آلوده می کنند) استفاده می‌کنند. یکی از این پروتئین‌ها، آنزیم برش‌دهنده DNA به نام Cas9، به رشته‌های راهنمای کوتاه RNA که توالی‌های خاصی را هدف قرار می‌دهند، متصل می‌شود و به Cas9 می‌گوید کجا برش‌های خود را انجام دهد. دانشمندان اخیراً شروع به بهره برداری از این سیستم برای ایجاد جهش های هدفمند در ژنوم حیوانات زنده کرده اند، یا ژن‌ها را حذف می‌کنند یا ژن‌های جدید را وارد می‌کنند. برای تحویل ژن‌های Cas9 و رشته راهنمای RNA، تیم MIT آنها را در ویروس‌هایی به نام لنتی ویروس بسته بندی کرد که می‌تواند به اندام‌های هدف موش‌های بالغ تزریق شود. این فرآیند بسیار سریعتر از تولید موش با جهش در مرحله سلول‌های بنیادی جنینی است که می‌تواند یک سال یا بیشتر طول بکشد.

ویرایش سریعتر

آزمایش داروهای سرطان در مدل‌های موش، گام مهمی بود برای اینکه تعیین شود آیا آن‌ها به اندازه کافی ایمن و مؤثر هستند تا وارد آزمایش‌های بالینی انسانی شوند، است. در 20 سال گذشته، محققان از مهندسی ژنتیک برای ایجاد مدل‌های موش با حذف ژن‌های سرکوب‌کننده تومور یا فعال کردن ژن‌های محرک سرطان استفاده کرده‌اند. با این حال، این رویکرد برای تولید و تجزیه و تحلیل موش‌هایی دارای یک جهش مرتبط با سرطان که به چندین ماه یا حتی سال نیاز دارد، سریعتر و دقیقتر است. الی می‌گوید: با این رویکرد جدید «یک دانشجوی فارغ‌التحصیل می‌تواند یک دکترای کامل را حول ایجاد مدلی برای یک جهش بسازد» این درحالی است که با مدل‌های سنتی، دهه‌ها طول می‌کشد تا به تمام جهش‌هایی که با اطلس ژنوم سرطان کشف کرده‌ایم دست پیدا کنیم.»

تاریخچه استفاده از این رویکرد در سرطان

در اواسط دهه 2010، محققان شروع به بررسی امکان استفاده از سیستم ویرایش ژنوم CRISPR برای ایجاد جهش‌های سرطانی شدند. برخی از این کارها در آزمایشگاه جکس انجام شد، جایی که Sánchez-Rivera (در آن زمان دانشجوی کارشناسی ارشد MIT بود) و همکارانش نشان دادند که می‌توانند از CRISPR برای حذف سریع و آسان ژن‌هایی که اغلب در تومورها گم می‌شوند استفاده کنند. با این حال، در حالی که این رویکرد حذف ژن‌ها را آسان می‌کند، اما برای وارد کردن جهش‌های جدید به یک ژن کمی سخت است، زیرا به مکانیسم‌های ترمیم DNA سلول متکی است، که تمایل به ایجاد خطا دارد. با الهام از تحقیقات آزمایشگاه Liu در موسسه Broad ، تیم MIT می‌خواست راهی برای انجام ویرایش دقیق‌تر ژن  ارائه کند که به آنها این امکان را دهد که جهش‌های بسیار هدفمندی در انکوژن‌ها (ژن‌هایی که سرطان را تحریک می‌کنند) یا سرکوبگرهای تومور ایجاد کنند.

نسخه جدیدی از ویرایش ژنوم CRISPR

در سال 2019، لیو و همکارانش نسخه جدیدی از ویرایش ژنوم CRISPR به نام ویرایش اولیه را گزارش کردند. برخلاف نسخه اصلی CRISPR که از آنزیمی به نام Cas9 برای ایجاد شکاف‌های دو رشته ای در DNA استفاده می‌کرد، اینبار این سیستم برای ویرایش اولیه از یک آنزیم اصلاح شده به نام Cas9 نیکاز استفاده می‌کند که با آنزیم دیگری به نام رونوشت معکوس ترکیب می‌شود. این آنزیم همجوشی تنها یک رشته از مارپیچ DNA را قطع می‌کند، بنابراین از ایجاد شکستگی‌های DNA دو رشته‌ای که می‌تواند منجر به خطا در هنگام ترمیم DNA توسط سلول شود، جلوگیری می‌کند.

نحوه عملکرد سیستم ویرایش اولیه

محققان MIT مدل‌های جدید موش خود را با مهندسی ژن آنزیم ویرایشگر اصلی در سلول‌های ژرمینال(زایا) موش‌ها طراحی کردند با این هدف که این جهش را در تمامی سلول‌های ارگانیسم متولد شده در نسل بعد داشته باشند. بنابراین آنزیم ویرایشگر اولیه کدگذاری شده به سلول‌ها اجازه می‌دهد تا یک توالی RNA را در DNA که در ژنوم گنجانده شده است کپی کنند. با این حال، ژن ویرایشگر اصلی تا زمانی که با تحویل پروتئین خاصی به نام Cre recombinase فعال نشود، خاموش می‌ماند. از آنجایی که سیستم ویرایش اولیه در ژنوم موش نصب شده است، محققان می‌توانند رشد تومور را با تزریق Cre recombinase به بافتی که می‌خواهند جهش سرطانی بیان شود، همراه با یک RNA راهنما که Cas9 نیکاز را هدایت کنند تا یک ویرایش خاص را در بافت هدف، ایجاد کنند. RNA راهنمای حاوی ژنوم سلول‌ها را می‌توان برای القای جایگزینی، حذف یا افزودن یک تکه DNA در یک ژن مشخص طراحی کرد ، بنابراین این سیستم مهندسی به محققان این امکان را می‌دهد تا هر گونه جهش سرطانی را که می‌خواهند ایجاد کنند.

مدل سازی جهش‌ ژن Kras

برای نشان دادن پتانسیل این روش، محققان چندین جهش مختلف را در ژن Kras مهندسی کردند که عامل ایجاد حدود 30 درصد از سرطان‌های انسانی، از جمله تقریباً همه آدنوکارسینوم‌های پانکراس است. با این حال، همه جهش‌های کراس یکسان نیستند. بسیاری از جهش‌های‌کراس در محلی به نام G12 رخ می‌دهند که اسید آمینه گلیسین در آن یافت می‌شود و بسته به جهش، این گلیسین می‌تواند به یکی از چندین اسید آمینه مختلف تبدیل شود. محققان مدل‌هایی از چهار نوع مختلف جهش کراس که در سرطان ریه یافت می‌شوند را توسعه دادند: G12C، G12D، G12R و G12A. آنها در کمال تعجب دریافتند که تومورهای تولید شده در هر یک از این مدل‌ها دارای ویژگی‌های بسیار متفاوتی هستند. به عنوان مثال، جهش‌های G12R تومورهای ریه بزرگ و تهاجمی ایجاد کردند، در حالی که تومورهای G12A کوچک‌تر بودند و کندتر پیشرفت کردند.

اهمیت ایجاد این جهش‌ها

یادگیری بیشتر در مورد اینکه چگونه این جهش‌ها به طور متفاوت بر رشد تومور تأثیر می‌گذارند می‌تواند به محققان کمک کند داروهایی بسازند که هر یک از جهش‌های مختلف را هدف قرار دهند. در حال حاضر، تنها دو داروی مورد تایید FDA وجود دارد که جهش‌های Kras را هدف قرار می‌دهند و هر دو مختص جهش G12C هستند که حدود 30 درصد از جهش‌های Kras در سرطان ریه را تشکیل می‌دهند. محققان همچنین از تکنیک خود برای ایجاد ارگانوئیدهای پانکراس با چندین نوع مختلف جهش در ژن p53 سرکوبگر تومور استفاده کردند و اکنون در حال توسعه مدل‌های موشی از این جهش‌ها هستند. آنها همچنین در حال کار بر روی مدل‌هایی از جهش‌های Kras اضافی، همراه با جهش‌های دیگری هستند که به ایجاد مقاومت در برابر مهارکننده‌های Kras کمک می‌کنند.

ایجاد ترکیبی از جهش‌ها

Mathey-Andrews می‌گوید: «یک چیزی که ما در مورد آن هیجان‌زده هستیم، بررسی ترکیبی از جهش‌ها از جمله جهش‌های Kras است که باعث ایجاد تومور می‌شود، همراه با جهش‌های مرتبط با مقاومت». ما امیدواریم که این موضوع نه تنها به ما کمک کند که آیا جهش باعث مقاومت می‌شود، بلکه کمک می‌کند تا بدانیم یک تومور مقاوم چگونه به نظر می‌رسد؟

محققان موش‌هایی را با سیستم ویرایش اولیه مهندسی شده در ژنوم آنها از طریق یک مخزن در آزمایشگاه جکسون در دسترس قرار داده اند و امیدوارند که آزمایشگاه های دیگر شروع به استفاده از این روش برای مطالعات خود در مورد جهش‌های سرطانی کنند.

پایان مطلب/.