به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، در دهه گذشته، ویرایش ژن CRISPR-Cas9 انقلابی در علم ایجاد کرده است. به عنوان یک پیشرفت در بیوژنتیک و پزشکی، با پتانسیل برای درمان یا از بین بردن بسیاری از بیماری‌های مزمن یا ژنتیکی تحسین شده است. این تکنیک DNA را در یک مکان هدف دقیق برش می‌دهد. محل برش توسط رشته‌ای از RNA به نام راهنمای RNA تعیین می‌شود که دارای توالی نوکلئوتید مکمل توالی DNA مورد هدف است. راهنمای RNA از DNA عبور می‌کند تا زمانی که توالی هدف دقیق را پیدا کند. آنزیم Cas9 به راهنمای RNA متصل است که اغلب به یک جفت قیچی تشبیه می‌شود. هنگامی که راهنمای RNA توالی هدف را پیدا می‌کند، Cas9 مولکول DNA را دقیقاً در جایی که راهنمای RNA نشان می‌دهد می‌شکافد. این فرآیند به دانشمندان اجازه می‌دهد تا ژن‌های خاص را با دقت و سهولت بیشتری نسبت به قبل غیرفعال یا اصلاح کنند. با این حال، آنها برای مداخلات در مقیاس بلند ژنوم محدود هستند. در اینجا، ما از یک سیستم مبتنی بر Cas3 که دارای یک هسته پردازشی برای مهندسی ژنوم است، استفاده می‌کنیم.

تاریخچه مکانیسم CRISPR

سیستم تکرارهای کوتاه پالیندرومیک (CRISPR) مرتبط با زنجیره آنزیمی (Cas)، ایمنی تطبیقی را در پروکاریوت‌ها انجام می‌دهد. از نظر طبقه بندی به کلاس 1 و کلاس 2 تقسیم می‌شود که هر کدام به سه نوع (به ترتیب نوع I، III، IV و نوع II، V، VI) تقسیم می‌شوند. پس از اولین انتشار برش DNA اختصاصی توالی در شرایط آزمایشگاهی توسط اندونوکلئاز Cas9 نوع II کلاس 2، چندین مطالعه نشان داد که Cas9 ابزار بسیار مؤثری برای مهندسی ژنتیک در موجودات مختلف از جمله سلول‌های انسانی است. اخیراً، نوع VI Cas3 (که قبلاً C2c2 نامیده می شد)، یک ریبونوکلئاز RNA هدایت شونده با RNA، برای تخریب هدفمند RNA10 و دستکاری‌های مبتنی بر RNA استفاده شده است. مکانیسم CRISPR به طور طبیعی، احتمالا بیش از یک میلیارد سال پیش، تکامل یافته است. دانشمندان از آن برای ویرایش ژن استفاده کرده اند، اما آن را ایجاد نکرده‌اند. Ailong Ke، زیست‌شناس مولکولی و ژنتیک توضیح می‌دهد: «ممکن است عموم مردم فکر کنند که CRISPR برای کارهای ویرایش ژنوم متولد شده است، اما در واقع نیروی کار یک سیستم ایمنی طبیعی است که در باکتری‌ها برای مقابله با ویروس ‌ای بیماریزا یافت می‌شود. تا با بریدن و تکه تکه کردن ژنوم ویروس‌ها با آنها مبارزه کنند.

بررسی دقیق ساختار مولکولی سیستم CRISPR-Cas

Ke به عنوان یک بیوشیمی‌دان که علاقه خاصی به زیست شناسی RNA دارد، سیستم CRISPR-Cas را مقاومت ناپذیر یافته است. او و آزمایشگاهش به کاوش مکانیسم‌هایی که زیربنای آن هستند، اختصاص داده شده‌اند. محققان با استفاده از ابزارهای پیشرفته مانند میکروسکوپ کرایو الکترونی و کریستالوگرافی اشعه ایکس - که هر دو می‌توانند ساختارهای ماکرومولکولی را در سطح اتمی نشان دهند - به چرخ دنده‌های ماشین CRISPR-Cas نگاه می‌کنند. Ke می‌گوید: «محرک اساسی ما کنجکاوی علمی است. "ما می‌خواهیم بفهمیم که سیستم چگونه کار می‌کند. زیرا درک خوب سیستم منجر به ایده‌های جالبی در مورد نحوه استفاده از آن می‌شود. این ابزار بسیار قدرتمندی است:زیرا بسیار خاص است و می‌تواند اطلاعات ژنتیکی درون سلول‌ها را به طور دائم تغییر دهد که این خود پیامدهای عمیقی دارد. این فناوری، نوید بزرگی برای درمان بیماری‌های ژنتیکی نادر یا مبارزه با سرطان و ویروس‌ها دارد.»

پیشبرد اهداف مهندسی ژنوم با  آنزیم Cas3

توانایی دستکاری ژنوم‌ها به روشی که فرد انتخاب می‌کند، پیشرفت‌های علمی، ظرفیت بیوسنتزی جدید و داروهای جدید را امکان پذیر می‌کند. همه موجودات دارای ژن‌ها و مناطقی با عملکرد ناشناخته هستند که حذف و/یا جایگزینی آنها امکان بررسی عملکرد را فراهم می‌کند. فناوری‌های CRISPR-Cas ابزارهای ویرایش ژن قابل برنامه‌ریزی را ارائه کرده‌اند که تحقیقات را متحول کرده است. آنزیم های پیشرو CRISPR-Cas9 و Cas12a برای دستکاری ژنتیکی برنامه ریزی شده ایده آل هستند، با این حال، آنها برای مداخلات در مقیاس ژنوم محدود هستند. در اینجا، ما پیشنهاد می‌کنیم که از آنزیم Cas3 استفاده کنیم، که به طور طبیعی دارای فعالیت هسته‌ای و هلیکاز همراه است و قادر به حذف بیش از 250 کیلوبایت است، برای اهداف مهندسی ژنوم. ما از Cas3 برای فعال کردن حذف و بررسی کل ژن‌ها، اپرون‌ها، جزیره‌ها، پروویروس‌ها و عناصر تکراری به‌طور انبوه بهره‌برداری می‌کنیم. سیستم‌های CRISPR-Cas3 به راحتی قابل برنامه ریزی هستند، دارای تنوع گسترده ای در ژنوم‌های توالی شده هستند و به طور طبیعی در بسیاری از میکروب‌ها وجود دارند. در صورت موفقیت آمیز بودن این سیستم، اجرای گسترده فناوری CRISPR-Cas3 این پتانسیل را دارد که کاربردهای زیست شناسی مصنوعی متعدد را تا حد زیادی افزایش دهد و ابزار جدیدی برای تجزیه و تحلیل ماده تاریک ژنومی ارائه دهد. در واقع این سیستم جدید  CRISPR-Cas3 می‌تواند دستکاری سریع سویه را برای اهداف زیست شناسی مصنوعی و مهندسی متابولیک،  با به حداقل رساندن ژنوم، حذف عنصر ژنتیکی متحرک، و تجزیه و تحلیل مناطق بزرگ با عملکرد ناشناخته تسهیل کند.

شناسایی و معرفی قدرت CRISPR-Cas3

سیستم CRISPR-Cas که به طور طبیعی در باکتری‌ها وجود دارد، می‌تواند بر اساس هر یک از تعدادی از آنزیم‌های خانواده Cas باشد. در حالی که Cas9 تمام پوشش مطبوعاتی را دریافت کرده است، آزمایشگاه Ke در حال بررسی پسرعموی پیچیده‌تر خود، CRISPR-Cas3 است که در بین باکتری‌ها بسیار محبوب است. Ke توضیح می‌دهد که تقریبا 50 درصد از سیستم‌های شناخته شده CRISPR-Cas در طبیعت از Cas3 استفاده می‌کنند. او می گوید: «Cas3 ترکیب و فعالیت متفاوتی نسبت به Cas9 دارد. Cas3، نه تنها DNA را می‌شکافد، بلکه آن را نیز تکه تکه می‌کند. عواقب آن چشمگیر است. توانایی Cas3 در پاک کردن کامل ژنوم ویروس ممکن است به محبوبیت آن در بین باکتری‌ها کمک کرده باشد. اگرچه CRISPR-Cas3 قدرتمند است، اما به دلیل پیچیدگی آن، به ندرت در برنامه‎های ویرایش ژنوم استفاده می‌شود. Ke می‌گوید: «پیاده کردن و به کارگرفتن برنامه‌های ویرایش ژنوم در سلول‌های انسانی دشوار است. "به همین دلیل است که ما ابتدا با انجام علوم پایه کار را شروع کردیم تا ابتدا نحوه عملکرد آن در لوله‌های آزمایش را درک کنیم."

پایان مطلب/.