ابزار ویرایش ژن راز کاهش پلاک آلزایمر در موش‌ها

ابزار جدید ویرایش ژن برای درمان بیماری آلزایمر

محققان دانشگاه ایلینوی اوربانا-شمپین گزارش داده‌اند که یک ابزار جدید ویرایش ژن که به ماشین‌آلات سلولی کمک می‌کند تا بخش‌هایی از ژن‌های مسئول بیماری‌ها را نادیده بگیرند، به کاهش تشکیل پیش‌سازهای پلاک آمیلوئید-بتا در مدل موشی بیماری آلزایمر اعمال شده است. این کاربرد در موش‌های زنده نشان‌دهنده کارایی بالای ابزاری به نام SPLICER نسبت به استانداردهای کنونی در فناوری ویرایش ژن است و همچنین پتانسیل کاربرد در بیماری‌های دیگر را دارد.

این تحقیق به رهبری پابلو پرز-پینرا، استاد مهندسی زیستی در دانشگاه ایلینوی، انجام شده و نتایج آن در نشریه Nature Communications منتشر شده است. SPLICER از رویکرد ویرایش ژن به نام حذف اگزون استفاده می‌کند که به‌ویژه برای شرایط بهداشتی ناشی از جهش‌هایی که پروتئین‌های معیوب یا سمی تولید می‌کنند، مانند دیستروفی عضلانی دوشن یا بیماری هانتینگتون، مورد توجه قرار دارد.

پرز-پینرا در این باره گفت: “DNA شامل دستورالعمل‌هایی است که همه چیز را که مسئول عملکرد سلول‌هاست، می‌سازد. بنابراین، مانند یک کتاب دستور پخت است که شامل دستورالعمل‌های بسیار دقیقی برای آشپزی است.” او ادامه داد: “اما بخش‌های بزرگی از DNA وجود دارند که هیچ چیزی را کد نمی‌کنند. این مانند این است که شما دستور پخت یک شام بوقلمون را شروع می‌کنید و سپس به یادداشتی می‌رسید که می‌گوید، ‘ادامه در صفحه ۱۰.’ بعد از صفحه ۱۰، می‌گوید ‘ادامه در صفحه ۲۵.’ صفحات بین این دو، بی‌معنی هستند.”

او افزود: “اما فرض کنید در یکی از صفحات دستور پخت — در ژنتیک، یک اگزون — یک اشتباه تایپی وجود دارد که بوقلمون را غیرقابل خوردن یا حتی سمی می‌کند. اگر نتوانیم اشتباه را به‌طور مستقیم اصلاح کنیم، می‌توانیم یادداشت قبلی را اصلاح کنیم تا شما را به صفحه بعدی هدایت کنیم و صفحه‌ای که خطا دارد را نادیده بگیریم، به طوری که در نهایت بتوانید یک بوقلمون قابل خوردن درست کنید. اگرچه ممکن است سس را که در صفحه نادیده گرفته شده بود از دست بدهید، اما هنوز هم شام خواهید داشت. به همین ترتیب، اگر بتوانیم بخش ژنی با جهش سمی را نادیده بگیریم، پروتئین حاصل می‌تواند هنوز هم عملکرد کافی برای انجام نقش‌های حیاتی خود داشته باشد.”

SPLICER بر اساس پلتفرم ویرایش ژن CRISPR-Cas9 ساخته شده است، با تغییرات کلیدی. سیستم‌های CRISPR-Cas9 نیاز به یک توالی خاص DNA برای اتصال دارند که این امر محدودیت‌هایی در ویرایش ژن‌ها ایجاد می‌کند. SPLICER از آنزیم‌های Cas9 جدیدتری استفاده می‌کند که به آن توالی نیاز ندارند و این امر درهای جدیدی را برای اهدافی مانند ژن‌های مرتبط با آلزایمر که گروه ایلینوی بر روی آن تمرکز کرده است، باز می‌کند.

دانشجوی تحصیلات تکمیلی آنجلو میسکالیس، یکی از نویسندگان اصلی مقاله، گفت: “یکی دیگر از مشکلاتی که در کار خود به آن می‌پردازیم، دقت در آنچه که نادیده گرفته می‌شود، است. با تکنیک‌های کنونی حذف اگزون، گاهی اوقات تمام اگزون نادیده گرفته نمی‌شود، بنابراین هنوز بخشی از توالی وجود دارد که نمی‌خواهیم بیان شود.”

تحلیل جدیدی از ویرایش ژن با استفاده از SPLICER

در تشبیه به یک کتاب آشپزی، این مانند تلاش برای رد کردن یک صفحه است، اما صفحه جدید در وسط یک جمله شروع می‌شود و در نتیجه، دستور پخت بی‌معنا می‌شود. ما می‌خواستیم از این موضوع جلوگیری کنیم. دو ناحیه کلیدی در اطراف یک اگزون وجود دارد که به ماشین‌آلات سلولی می‌گوید کدام بخش‌های یک ژن برای تولید پروتئین‌ها استفاده شوند: یکی در ابتدای اگزون و دیگری در انتهای آن. در حالی که بیشتر ابزارهای رد کردن اگزون تنها بر یک توالی تمرکز می‌کنند، SPLICER هر دو توالی شروع و پایان را ویرایش می‌کند. در نتیجه، اگزون‌های هدف به طور مؤثرتری رد می‌شوند، به گفته میسکالی.

گروه دانشگاه ایلینوی تصمیم گرفت ژن مرتبط با آلزایمر را برای اولین نمایش توانایی‌های درمانی SPLICER هدف قرار دهد. با اینکه این ژن به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته است، اما رد کردن مؤثر اگزون در موجودات زنده همچنان دشوار بوده است. محققان یک اگزون خاص را هدف قرار دادند که برای یک توالی آمینواسید درون یک پروتئین کد می‌شود و این پروتئین به منظور تشکیل آمیلوئید-بتا برش می‌خورد، که در طول پیشرفت بیماری در مغز تجمع می‌یابد و پلاک‌ها را تشکیل می‌دهد.

در نورون‌های کشت شده، SPLICER به طور مؤثری تشکیل آمیلوئید-بتا را کاهش داد. هنگام تجزیه و تحلیل خروجی DNA و RNA مغز موش‌ها، محققان دریافتند که اگزون هدف ۲۵ درصد در موش‌های تحت درمان با SPLICER کاهش یافته است، بدون هیچ نشانه‌ای از اثرات غیرهدف.

شردا شیروگپه، دانشجوی تحصیلات تکمیلی و یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه، گفت: “وقتی ما در ابتدا سعی کردیم این اگزون را با تکنیک‌های قدیمی هدف قرار دهیم، موفق نشدیم. ترکیب ویرایشگرهای پایه جدید با ویرایش دوگانه اسپلایس، اگزون را با نرخ بسیار بهتری نسبت به هر یک از روش‌های موجود رد کرد. ما توانستیم نشان دهیم که نه تنها می‌تواند کل اگزون را بهتر رد کند، بلکه پروتئینی که پلاک را در این سلول‌ها تولید می‌کند نیز کاهش می‌دهد.”

پرس-پینرا گفت: “رد کردن اگزون تنها در صورتی مؤثر است که پروتئین حاصل همچنان عملکردی داشته باشد، بنابراین نمی‌تواند هر بیماری با پایه ژنتیکی را درمان کند. این محدودیت کلی این روش است.” او افزود: “اما برای بیماری‌هایی مانند آلزایمر، پارکینسون، هانتینگتون یا دیستروفی عضلانی دوشن، این روش پتانسیل زیادی دارد. مرحله بعدی فوری، بررسی ایمنی حذف اگزون‌های هدف در این بیماری‌ها است و باید اطمینان حاصل کنیم که پروتئین جدیدی که تولید نمی‌شود سمی یا فاقد عملکرد کلیدی نیست. همچنین نیاز داریم که مطالعات حیوانی بلندمدت انجام دهیم و ببینیم آیا بیماری در طول زمان پیشرفت می‌کند.”

در دانشگاه ایلینوی، پرس-پینرا همچنین با دپارتمان فیزیولوژی مولکولی و یکپارچه، کالج پزشکی کارل ایلینوی، مرکز سرطان در ایلینوی و مؤسسه کارل آر. ووز برای زیست‌شناسی ژنومی همکاری دارد. پروفسورهای مهندسی زیستی دانشگاه ایلینوی، سرگئی ماسلوف و توماس گاج نیز از نویسندگان این مقاله بودند. این کار توسط مؤسسات ملی بهداشت، انجمن دیستروفی عضلانی، انجمن قلب آمریکا، بنیاد بیماری پارکینسون و بنیاد سیمونز حمایت شد. این تحقیق همچنین از کمک‌های مالی مؤسسات ملی بهداشت با شماره‌های ۱U01NS122102، ۱R01NS123556، ۱R01GM141296، ۱R01GM127497، T32EB019944 و ۱R01GM131272 برخوردار بوده است.