آیا می‌توانیم بیماری‌های ژنتیکی را از طریق بازنویسی DNA درمان کنیم؟
متن سخنرانی :
مهمترین هدیه‌ای که پدر و مادر شما تا به حال به شما داده‌اند دو دسته‌ی سه میلیاردی از حروف DNA بوده که ژنوم شما را می‌سازد. اما مثل هر چیز دیگری با سه میلیارد اجزا، آن هدیه آسیب‌پذیر است. نور خورشید، سیگار، تغذیه ناسالم، حتی اشتباهات خود بخودی سلول‌هایتان، همگی باعث تغییر در ژنوم شما می‌شود. رایج‌ترین تغییر در DNA مبادله‌ی ساده‌ی یک حرف، یا باز، مثل C، با حرف دیگر، مثل T، G، یا A هست. در هر روز، سلولهای بدن شما در مجموع میلیاردها مبادلات تک حرفی انجام می‌دهند که «جهش‌های نقطه‌ای» نیز نامیده می‌شوند.بیشتر این جهش‌های نقطه‌ایبدون ضرر هستند. اما هر از گاهی، یک جهش نقطه‌ای قابلیتی مهمدر یک سلول را مختل می‌کند یا باعث می‌شود سلول به روش‌های مخربی بدرفتاری کند. اگر آن جهش از والدین شما به ارث رسیده باشد یا خیلی زود در دوران رشد شما رخ داده باشد، نتیجه این خواهد شد که بسیارییا تمام سلولهای شما این جهش خطرناک را داشته باشند. و شما درنهایت یکی ازصدها میلیون نفری خواهید شد که به بیماری ژنتیکی، مثل کم‌خونی سلول داسی شکل یا پیری زودرس یا تحلیل عضلانی یا بیماری تای ساکسمبتلا خواهید شد.
بیماری‌های شدید ژنتیکی که به وسیله‌یجهش‌های نقطه‌ای رخ می‌دهند واقعا ناامید کننده هستند، چون ما اغلب تغییر دقیق یک حرف را می‌دانیم که باعث بیماری می‌شود و از لحاظ تئوری،می‌توانیم آن را درمان کنیم. میلیون‌ها نفر از کم‌خونی سلولداسی شکل رنج می‌برند چون آنها جهش‌هایی نقطه‌ای از A تا T در هر دو نسخه‌ی ژن هموگلوبین خود دارند. و کودکان دچار پیری زودرس با T در یک جایگاه در ژنومشان به دنیا می‌آیند جایی که شما یک C دارید، با عواقب ویرانگری که این بچه‌های باهوش و فوق‌العاده خیلی سریع پیر می‌شوند و حدودا تا ۱۴ سالگی فوت می‌کنند. در طول تاریخ درمان، ما راهی برای اصلاح موثرجهش‌های نقطه‌ای در سیستم‌های زنده نداشته‌ایم، تا آن T باعث بیماری را به C تغییر دهیم. شاید تا به امروز. چون آزمایشگاه من اخیرا موفق به توسعه‌ی چنین توانایی شده است، که ما آن را «ویرایش باز» می‌نامیم.[ویرایش مولکولی DNA]
داستان اینکه ما چطور به ویرایش باز رسیدیم در حقیقت به سه میلیارد سال قبل باز می‌گردد. ما به باکتری به عنوان منبع بیماری نگاه می‌کنیم، اما باکتری‌ها خودشان مستعد آلوده شدن هستند، بویژه توسط ویروس‌ها. بنابراین حدود سه میلیارد سال قبل، باکتری‌ها مکانیسمی دفاعی برای مبارزه با عفونت‌های ویروسی شکل دادند. آن مکانیسم دفاعی امروزه بیشتربه عنوان کریسپر شناخته می‌شود و کلاهک جنگی در کریسپر این پروتئین بنفش رنگ است که مانند قیچی مولکولیبرای بریدن DNA عمل می‌کند، و هلیکس‌های دوگانه را به دو قسمت می‌شکند. اگر کریسپر نتواند تفاوت بین DNA باکتریایی و ویروسی را تشخیص دهد، آن سیستم دفاعی مطمئن نخواهد بود.
اما مهمترین ویژگی کریسپر این است که قیچی‌ها می‌توانند برنامه‌ریزی شوندتا تنها یک توالی خاص DNA را جستجو کنند، به آنها متصل شوند، و آنها را برش دهند. بنابراین وقتی باکتری برای اولین باربا ویروسی مواجه می‌شود، می‌تواند بخش کوچکی از DNA ویروس را ذخیره کند تا به عنوان برنامه برای هدایت کردنقیچی‌های کریسپر استفاده کند تا توالی آن DNA ویروسی رادر دوران عفونت در آینده قطع کند. قطع کردن DNA یک ویروس نقش ژن ویروسیجدا شده را به هم می‌ریزد، و بنابراین چرخه‌ی زندگیویروس را مختل می‌کند.
محققان بزرگی از جمله امانوئل چارپنتیر، جورج چرچ، جنیفر دوندا، فنگ ژنگ ۶ سال پیش نشان دادند قیچی‌های کریسپرچطورمی‌توانند برنامه‌ریزی شوند تا توالی DNA منتخب ما را قطع کنند، شامل توالی ژنوم شما، به جای توالی‌های DNA ویروسیکه توسط باکتری انتخاب شده است. اما نتایج درواقع شبیه هستند. جدا کردن توالی DNA در ژنوم شما معمولا عملکرد ژن جدا شده را نیزمختل می‌کند، با قرار دادن و حذف کردن ترکیب‌هایتصادفی از حروف DNA در محل برش.
اکنون مختل کردن ژنها می‌تواند برایبعضی کاربردها خیلی مفید باشد. اما در بیشتر جهش‌های نقطه‌ای کهباعث بیماری‌های ژنتیکی می‌شوند، بریدن ژن قبلا جهش یافتهبه تنهایی به نفع بیماران نیست، زیرا نقش ژن جهش یافته باید ترمیم شود، و نه اینکه بیشترمختل شود. بنابراین بریدن این ژن از قبلجهش یافته‌ی هموگلوبین که باعث کم‌خونی سلول داسی شکل می‌شود توانایی بیماران را برای ایجاد سلول‌هایخونی قرمز و سالم ترمیم نمی‌کند. و درحالیکه گاهی می‌توانیم توالی جدیدDNA را در سلول‌ها معرفی کنیم تا جایگزین توالی‌های DNAدر اطراف محل برش بشود، متاسفانه، آن فرایند در بیشترگونه‌های سلولی کار نمی‌کند، و عواقب ژن‌های مختل شده همچنان غالب است.
مثل خیلی ازدانشمندانرویای آینده‌ای را دیده‌ام که در آن ممکن باشد بتوانیمبیماری‌های ژنتیکی انسان را معالجه یا درمان کنیم. اما من خلا روش ترمیم جهش‌های نقطه‌ای را که باعث بروز بیشتر بیماری‌هایژنتیکی انسان می‌شود، به عنوان مشکلی اساسی بر سر راه می‌دیدم .
به عنوان شیمی‌دان، من شروع به کار با دانش‌آموزانم کردم تا روش‌هایی برای اجرای مستقیم عملیاتشیمیایی روی بازهای DNA افراد توسعه دهیم، و جهش‌هایی که باعث بیماری ژنتیکی می‌شوندرا به جای مختل کردن واقعا درمان کنیم. نتیجه‌ی تلاش‌هایماندستگاه‌های مولکولی هستند که «ویرایشگرهای باز» نام دارند.[ویرایش مولکولی DNA] ویرایشگرهای باز از مکانیسم قابل جستجویقیچی‌های کریسپر استفاده می‌کنند، اما به جای برش DNA، آنها مستقیم یک باز را به دیگری تغییر می‌دهند بدون مختل کردن بقیه ژنها. بنابراین اگر به پروتئین‌های طبیعی کریسپربه عنوان قیچی‌های مولکولی فکر کنید، می‌توانید ویرایشگرهای باز را مداد در نظر بگیرید، که مستقیما قادر هستند یک حرف DNA رابه حرف دیگر تبدیل کنند در واقع با مرتب کردن دوباره اتم‌های باز DNA تا برخلالف [قیچی] به باز متفاوتی تبدیل شوند.
اکنون، ویرایشگرهای بازدر طبیعت وجود ندارند. درواقع ما اولین ویرایشگر باز را کهاینجا نشان داده شده طراحی کردیم، از سه پروتئین جدا که حتی ازارگان مشابهی نیستند. ما با گرفتن قیچی‌های کریسپر و غیرفعال کردنتوانایی بریدن DNA کارمان را آغاز کردیم درحالیکه توانایی جستجو و متصل شدنبه توالی DNA را حفظ کردیم با حالتی برنامه‌ریزی شده. به قیچی‌های کریسپر غیرفعال شدهکه با رنگ آبی نشان داده شده، ما پروتئین دوم قرمز رنگ را متصل کردیم، که واکنشی شیمیایی رویDNA باز C انجام می‌دهد. آن را به بازی تبدیل می‌کندکه مثل T رفتار می‌کند. سوم، ما مجبور بودیم پروتئین دیگریرا به دو پروتئین اول متصل کنیم که با رنگ بنفش نشان داده شده که باز ویرایش شده را از حذف شدن توسط سلول محافظت می‌کند. نتیجه‌ی نهایی پروتئینیمهندسی شده و سه قسمتی است که برای اولین بار به ما اجازه می‌دهدC را به T تبدیل کنیم در مکانهای مشخصی در ژنوم.
اما حتی در این مرحله،تنها نیمی از کار ما انجام شده بود. چون برای ثابت ماندن در سلول‌ها، دو رشته‌ی دوگانه‌ی هلیکس در DNAباید جفت‌های باز بسازند. و چون C تنها با G جفت می‌شود، و T تنها با A، تغییر یک C به T در یک رشته‌ی DNAعدم هماهنگی ایجاد می‌کند. تضادی بین دو رشته‌ی DNA که سلول باید با تصمیم‌گیری اینکه جایگزین کدام رشته شود آن را برطرف کند. ما تشخیص دادیم که می‌توانیم اینپروتئین سه قسمتی را بیشتر مهندسی کنیم تا رشته‌ی ویرایش نشده را برای جایگزینی نشانه‌گذاری کند با ایجاد شکافی کوچک در آن رشته. این شکاف کوچک سلول را فریب می‌دهد تا G ویرایش نشده را با یک A جایگزین کند وقتی که رشته‌ی شکاف‌دار را دوباره می‌سازد، بنابراین تبدیل جفت بازی C-G قبلی را به جفت بازی T-A پایدارکامل می‌کند.
بعد از سالها کار سخت، با رهبری دانشجوی فوق‌دکترای سابقآلکسیس کومور، درآزمایشگاه ما موفق به توسعه‌ی این اولیندسته‌ی ویرایشگران باز شدیم، که C را به T، و G را به A تبدیل می‌کند در جایگاه‌های مشخص به انتخاب ما. در بین بیش از ۳۵,۰۰۰ جهش نقطه‌ای مرتبط با بیماری، دو نوع جهش که این اولینویرایشگر پایه می‌تواند برعکس کند در مجموع مسئول ۱۴ درصد یا حدود۵,۰۰۰جهش‌های نقطه‌ای بیماری‌زاست. اما اصلاح بزرگترین دستهجهش‌های نقطه‌ای بیماری‌زا نیازمند توسعه‌ی دسته‌ی دومیاز ویرایشگرهای باز است، نوعی که بتواند A را Gو T را به C تبدیل کند. با رهبری دانشجوی فوق‌دکترای سابق،نیکول گودلی درآزمایشگاه، ما شروع به توسعه‌ی این دسته‌ی دومویرایشگر باز کردیم، که در فرضیه‌ها می‌توانست تقریبا تا نیمیاز جهش‌های بیماری‌زا را اصلاح کند، از جمله آن جهشی که باعث بیماریپیری سریع پروگریا می‌شود.
ما تشخیص دادیم که بار دیگر می‌توانیم، مکانیسم هدف‌گیری قیچی‌های کریسپررا قرض بگیریم تا ویرایشگر باز جدید را به مکان مناسب در ژنوم بیاوریم. اما خیلی سریع با مشکلیباورنکردنی مواجه شدیم؛ به این شرح که، پروتئینی وجود ندارد که برای تبدیل A به G یا T به C در DNA شناخته شده باشد. در مواجهه با چنین مانع جدی و دشواری، اغلب دانشجویان احتمالا اگردنبال استاد راهنمای دیگری نگردند، سراغ پروژه‌ی دیگری می‌روند . (خنده) اما نیکول قبول کرد با نقشه‌‌ای پیش برویم که در آن زمان کاملا بلند پروازانه بود. با غیاب پروتئینی طبیعی که عملیات شیمیایی لازم را انجام دهد، تصمیم گرفتیم پروتئین خودمان رادر آزمایشگاه تکامل دهیم تا A را به بازی تبدیل کنیمکه مثل G رفتار کند، از پروتئینی شروع کردیم که کار شیمیاییرا روی RNA (اسید ریبونوکلئیک) انجام دهد. ما سیستم انتخابیِ «بقای سازگارترینگونه» داروین را برقرار کردیم که ده‌ها میلیون گونه پروتئین را بررسی کرد و تنها به آن متغیرهای کمیاب اجازه داد که می‌توانستند تغییر شیمیایی لازم را برای بقا انجام دهند. ما به پروتئینی رسیدیمکه اینجا نمایش داده شده، اولین پروتئینی که می‌تواند A را در DNA به بازی تبدیل کند که شبیه G است. و زمانیکه آن پروتئین را به قیچی‌های غیرفعال شده‌ی کریسپر،با رنگ آبی متصل کردیم، ما دومین ویرایشگر باز را تولید کردیم، که A را به G تبدیل می‌کند، و سپس از همان استراتژیِشکافِ رشته استفاده می‌کند که در ویرایشگر باز اول استفاده کردیم تا سلول را در جایگزینیT ویرایش نشده با C فریب بدهیم وقتی رشته شکافته را دوباره می‌سازد، و بنابراین تبدیل جفت بازی A-Tبه جفت بازی G-C را کامل کردیم.
(تشویق)
متشکرم.
(تشویق)
به عنوان یک محقق دانشگاهی در امریکا، عادت ندارم صحبتم بخاطر تشویق قطع شود.
(خنده)
ما این دو دسته ازویرایشگران باز را تنها سه سال قبل ویک سال و نیم قبل توسعه دادیم. اما حتی در آن مدت کوتاه، ویرایش باز به صورت گسترده بین جامعه‌یمحققین زیست پزشکی استفاده می‌شود. ویرایشگران باز بیش از ۶,۰۰۰ بار به درخواست بیش از ۱,۰۰۰ محققاز سرتاسر دنیا فرستاده شده‌اند. و صد مقاله‌ی علمی پژوهشی منتشر شده‌اند که از ویرایشگران بازدر ارگانیسم‌های متنوعی از باکتری تا گیاهان، موش‌ها ونخستی‌سانان استفاده کرده‌اند
درحالیکه ویرایشگران باز برای وارد آزمایشات بالینی انسانیخیلی جدید هستند، دانشمندان به سنگ بنای مهمیجهت دستیابی به آن هدف رسیده‌اند، با استفاده از ویرایشگران باز روی حیوانات تا جهش‌های نقطه‌ای که باعث بیماری‌هایژنتیکی انسان می‌شود را اصلاح کنند. برای مثال، تیمی متشکل از محققانبا رهبری لوک کوبلان و جان لِوی، و دو دانشجوی دیگر در آزمایشگاه من، اخیرا از ویروسی برای انتقال آن ویرایشگر دوم به بدن موشی که مبتلا به پیری زودرس استاستفاده کرده اند، و آن T عامل بیماری را به C بازگردانده و عواقب آن را در DNA، RNA وسطوح پروتئینی معکوس کرده است.
ویرایشگران باز همچنیندر حیوانات استفاده شده‌اند تا عواقب تیروزنیمی(نوعی ناهنجاری متابولیسمی)، تالاسمی بتا، تحلیل عضلانی، فنیل کتونوری(نوعی نقص متابولیکی)، ناشنوایی مادرزادی و نوعی بیماری فلبی-عروقی را معکوس کنند-- درهر مورد، مستقیما از طریقاصلاح جهش نقطه‌ای که باعث یا عاملی در بیماری می‌شود. در گیاهان، ویرایشگران باز برای معرفی تغییرات جداگانهحروف DNA استفاده می‌شوند که می‌تواند به محصولات بهتری منجر شود.
و زیست‌شناسان از ویرایشگران بازبرای بررسی نقش حروف جداگانه در ژن‌های مرتبط با بیماری‌هاییمثل سرطان استفاده کرده‌اند. دو شرکتی که من در آن بنیان‌گذارشراکتیهستم، «بیم تراپیوتیک و ییرویز پلنتس» در حال استفاده از ویرایش بازبرای درمان بیماری‌های ژنتیکی انسان و بهبود کشاورزی هستند. تمام این کاربردهای ویرایش باز در کمتر از سه سال گذشته اتفاق افتاده است: که در مقیاس زمانی تاریخی علم، (معادل) یک چشم بهم زدن است.
کارهای دیگری در پیش رو است قبل از آنکه ویرایش باز بتواندظرفیت کامل خودش را تشخیص دهد تا زندگی بیماران ژنتیکی را بهبود ببخشد. در حالیکه به نظر می‌رسدبسیاری از این بیماری‌ها با اصلاح جهش مورد نظر قابل درمان هستند در حتی نسبت کوچک‌تری از سلولهای یک عضو، انتقال دستگاههای مولکولیمثل ویرایشگران باز به درون سلولهای انسان می‌تواند چالش‌انگیز باشد. همکاری ویروس‌های طبیعتبرای انتقال ویرایشگران باز به جای مولکول‌هایی که باعثسرماخوردگی شما می‌شود یکی از چندین استراتژی نویدبخش انتقال است که به صورت موفق استفاده شده است. ادامه دادن به توسعه‌یدستگاههای مولکولی جدید که بتواند باعث شودتمام روش‌های باقی یک جفت باز را به جفت بازی دیگر تبدیل کنند و اینکه ویرایش‌های ناخواسته ای که هدف نیستند در سلول‌ها را به حداقل برسانند خیلی مهم است. و همکاری با دیگر دانشمندان،دکترها، اخلاق‌شناسان و دولت‌ها برای به حداکثر رساندن احتمالاینکه ویرایش باز آگاهانه، امن و اخلاقی به کار برده شود، ضرورتی مهم باقی می‌ماند.
با وجود این چالش‌ها، اگر همین پنج سال پیش به من گفته بودید که محققان در سرتاسر دنیا از دستگاههای مولکولی تکامل گرفتهدر آزمایشگاه استفاده خواهند کرد تا مستقیما یک جفت باز را به جفت بازی دیگر در مکان مشخصی از ژنوم انسان به صورت موثر و با حداقلعوارض جانبی تبدیل کنند، من از شما می‌پرسیدم، «کدام رمان علمی-تخیلی را می‌خوانید؟» به لطف تلاش‌های بی‌وقفه‌ی دانشجویانی که به قدری خلاق بودند تا چیزی راکه خودمان تواستیم طراحی کنیم مهندسی کنند و آنقدر شجاع بودند تاچیزی که نتوانستیم را تکامل دهند، ویرایش باز، از آن آرزوی علمی-تخیلی گونه در حال تبدیل شدنبه واقعیتی جدید و هیجان انگیز است. واقعیتی که در آن مهمترینهدیه‌ای که به فرزندانمان می‌دهیم شاید تنها سه میلیارد حروف DNA نباشد، بلکه همچنین ابزاری برایمحافظت و تعمیر آنها باشد.
متشکرم.
(تشویق)
متشکرم.
