دانشمندان جزئیات بازسازی DNA جنینی را آشکار کردند

به گزارش مجله خبری نگار، جنین‌های اولیه انسان بسته به آسیب ناشی از ویرایش ژنوم، DNA را به طور متفاوتی ترمیم می‌کنند. دانشمندان دریافته‌اند که شکستگی‌های تک رشته‌ای به طور قابل توجهی قابل اعتمادتر از شکستگی‌های دو رشته‌ای ترمیم می‌شوند. با این حال، حتی این روش دقیق‌تر نیز با تغییرات ژنتیکی ناخواسته همراه بود، بنابراین ایمنی آن برای پزشکی تولید مثل هنوز تأیید نشده است. ایزوستیا در مورد آنچه آزمایش‌ها نشان داده‌اند و اینکه چرا ویرایش ژن موفق لزوماً به معنای ایمنی نیست، گزارش می‌دهد.

چرا ترمیم DNA برای ویرایش ژنوم مهم است؟

ویرایش ژنوم امکان ایجاد تغییرات دقیق در توالی DNA را فراهم می‌کند. اما نتیجه نه تنها به میزان دقت ابزار در شناسایی ناحیه هدف بستگی دارد، بلکه نحوه پردازش آسیب حاصل توسط سلول نیز در این امر نقش دارد.

با استفاده از سیستم کلاسیک CRISPR-Cas۹، آنزیم هر دو رشته DNA را در یک محل هدف برش می‌دهد. سپس مکانیسم‌های سلولی باید مولکول را ترمیم کنند. در جنین‌های اولیه انسان، این فرآیند می‌تواند منجر به از دست رفتن بخش‌های بزرگی از مواد ژنتیکی شود.

ویرایش باز‌های DNA امکان اصلاح عناصر توالی منفرد را بدون شکستن مورد نظر هر دو رشته فراهم می‌کند. به طور خاص، ویرایشگر‌های آدنین برای تبدیل جفت باز A-T به G-C طراحی شده‌اند. در یک مطالعه جدید، دانشمندان نحوه مقابله جنین‌های اولیه با آسیب‌های ناشی از ابزار‌های مختلف را مقایسه کردند.

استپان یِرابک، نویسنده‌ی اول این مطالعه، توضیح داد: «این مطالعه نشان می‌دهد که جنین‌های اولیه‌ی انسان قادر به ترمیم مؤثر آسیب‌های تک‌رشته‌ای DNA هستند، در حالی که ترمیم شکستگی‌های دو رشته‌ای در این مرحله از رشد به طور قابل توجهی کمتر قابل اعتماد است.»

آنچه معرفی ویرایشگر به شکل پروتئین نشان داد

محققان نه تنها ابزار‌های مختلف، بلکه روش‌های تحویل آنها را نیز آزمایش کردند. این ویرایشگر می‌تواند به عنوان یک پروتئین آماده یا به عنوان RNA پیام‌رسان - مولکولی که به سلول‌ها اجازه می‌دهد خودشان پروتئین تولید کنند - تحویل داده شود. ایوا پیخووا و میشال دولژال، اعضای کارکنان موسسه، در تولید و خالص‌سازی ویرایشگر‌های پروتئینی مورد استفاده در آزمایش‌ها شرکت داشتند.

دولژال گفت: «همکاری در این تحقیق از سال ۲۰۲۱ آغاز شد و در سال‌های بعد، چندین نسخه ویرایشگر را برای آزمایش‌های انجام شده توسط همکارانمان در دانشگاه کلمبیا آماده کردیم.»

به گفته او، معرفی مستقیم ویرایشگر‌ها به عنوان پروتئین، با رشد طبیعی اولیه جنین سازگار بود. یکی از انواع ویرایشگر آدنین، که به عنوان پروتئین در طول لقاح ارائه شد، امکان اصلاح تمام نسخه‌های آزمایش شده از توالی هدف PCSK۹ را فراهم کرد. جنین‌ها به مرحله بلاستوسیست رسیدند و رده‌های سلولی بنیادی حاوی توالی اصلاح شده با موفقیت از آنها استخراج شدند.

با این حال، روش انتقال اهمیت داشت: معرفی ویرایشگر به عنوان mRNA می‌توانست با توقف رشد همراه باشد. بنابراین، نتایج نه تنها به هدف ژنتیکی انتخاب شده، بلکه به خواص ابزار و روش انتقال آن نیز بستگی داشت.

چرا سلول‌های بنیادی از جنین‌ها گرفته شدند؟

یکی از نتایج کلیدی، تولید سلول‌های بنیادی از جنین‌های ویرایش‌شده در روز ششم رشد بود. این سلول‌ها مواد اضافی را برای تجزیه و تحلیل ژنتیکی دقیق در اختیار دانشمندان قرار دادند.

در جنین اولیه، تعداد سلول‌ها محدود است. ایجاد یک رده سلولی امکان گسترش قابلیت‌های تحقیقاتی و مطالعه دقیق‌تر اثرات مداخلات را فراهم می‌کند. علاوه بر این، دانشمندان می‌توانند مشاهده کنند که آیا تغییرات ایجاد شده در طول تقسیم‌های بعدی حفظ می‌شوند یا خیر. در این مورد، ما در مورد نسل‌هایی از سلول‌های رشد یافته در آزمایشگاه صحبت می‌کنیم.

طبق گفته موسسه پراگ، این رویکرد امکان مطالعه عمیق‌تر اثرات اصلاحات ژنتیکی را نسبت به تجزیه و تحلیل صرف جنین اصلی فراهم می‌کند. با این حال، به دست آوردن یک رده سلول بنیادی به خودی خود ایمنی مداخله را برای همه بافت‌های موجود زنده آینده تأیید نمی‌کند. این امر ابزاری برای آزمایش بیشتر در اختیار محققان قرار می‌دهد.

کارایی بالای ویرایش هدفمند، مانع از آسیب به سایر مناطق ماده ژنتیکی نشد. این مقاله، شکستگی‌های کروموزومی نادر در ناحیه هدف و ناهنجاری‌های کروموزومی را شرح می‌دهد. دانشمندان همچنین تغییراتی را در باز‌های مجاور و مناطق خارج از هدف انتخاب شده کشف کردند. این ویرایش‌ها می‌توانند به طور ناهموار در بین سلول‌ها توزیع شوند.

اینگونه است که موزاییسم ژنتیکی ایجاد می‌شود: سلول‌های درون یک جنین واحد در تغییرات خاص DNA متفاوت هستند. بنابراین، یافتن توالی هدف صحیح به این معنی نیست که کل ژنوم همه سلول‌ها بدون تغییر باقی می‌ماند.

همانطور که دانشگاه کلمبیا اشاره می‌کند، توزیع غیرقابل پیش‌بینی چنین تغییراتی، ارزیابی عواقب آن را دشوار می‌کند. جنین‌هایی که سطوح بالایی از mRNA برای برخی از ویرایش‌گر‌ها داشتند نیز رشدشان متوقف شد.

این نتایج نشان می‌دهد که چرا در نظر گرفتن همزمان چندین عامل هنگام اعتبارسنجی یک روش ضروری است: دقت ویرایش مورد نظر، وجود تغییرات اضافی، وضعیت کروموزوم‌ها و رشد جنین. ترمیم قابل اعتمادتر آسیب تک رشته‌ای، برخی از مشکلات مرتبط با شکستگی‌های دو رشته‌ای را کاهش می‌دهد. با این حال، تمام پیامد‌های بالقوه ویرایش را از بین نمی‌برد.

چرا رشد طبیعی در روز‌های اولیه کافی نیست؟

عنوان مقاله به کارایی بالای ویرایش PCSK۹ و رشد طبیعی جنین‌های انسان اشاره دارد. با این حال، این مشاهده مربوط به مرحله اولیه آزمایشگاهی - قبل از تشکیل بلاستوسیست - بود.

این نتیجه به ما اجازه نمی‌دهد در مورد رشد بعدی جنین، سلامت کودک یا پیامد‌های بلندمدت مداخله ژنتیکی نتیجه‌گیری کنیم. برای محققان، رشد اولیه و یکپارچگی ژنوم موضوعات جداگانه‌ای هستند که نیاز به آزمایش‌های متفاوتی دارند.

او توضیح داد: «هدف ما توسعه روشی برای اصلاح ژنتیکی جنین‌های انسان نبود، بلکه استفاده از تحقیقات بنیادی برای درک بهتر چگونگی عملکرد مکانیسم‌های ترمیم DNA در مراحل اولیه رشد انسان بود.»

به گفته این دانشمند، ویرایشگر‌های باز در مقایسه با رویکرد‌هایی که باعث ایجاد شکست‌های دو رشته‌ای می‌شوند، دقت را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشند. با این حال، قبل از بررسی استفاده بالینی از چنین ابزار‌هایی در جنین‌های انسان، باید بسیاری از مسائل ایمنی مورد توجه قرار گیرد.

این مطالعه چه ارتباطی با بیماری‌های ارثی دارد؟

در آینده، تغییرات هدفمند ژنوم در مراحل اولیه رشد ممکن است برای پیشگیری از برخی بیماری‌های ارثی مورد توجه قرار گیرد. با این حال، دخالت در جنین با ویرایش سلول‌های منفرد یک موجود زنده از قبل تشکیل شده متفاوت است.

موسسه ملی تحقیقات ژنوم انسانی ایالات متحده بین مداخلات سوماتیک و تغییراتی که می‌توانند به نسل‌های آینده منتقل شوند، تمایز قائل می‌شود. ویرایش سوماتیک بر سلول‌های درون بدن تأثیر می‌گذارد و معمولاً توسط فرزندان به ارث نمی‌رسد.

اگر تغییری که در اوایل رشد ایجاد شده است در سلول‌هایی که بعداً به سلول‌های زایا تبدیل می‌شوند، باقی بماند، می‌تواند به طور بالقوه به فرزندان منتقل شود. بنابراین، پیامد‌های چنین مداخلاتی نیاز به ارزیابی جداگانه دارد.

این مطالعه جدید درک ما از ترمیم DNA را گسترش می‌دهد، اما ایمنی زایمان پس از این مداخله را اثبات نمی‌کند. نویسندگان خاطرنشان می‌کنند که عوارض جانبی شناسایی‌شده در حال حاضر مانع از استفاده از این رویکرد‌ها در کلینیک‌های تولید مثل می‌شود.

چرا نتایج می‌توانند اکنون مفید باشند؟

اهمیت اصلی این مطالعه در فرصتی است که برای مطالعه دقیق‌تر روز‌های اولیه رشد انسان فراهم می‌کند. ابزار‌های ویرایش به محققان این امکان را می‌دهند که ضایعات خاصی ایجاد کنند و نحوه واکنش سلول‌ها به آنها را مشاهده کنند.

دانشگاه کلمبیا در حال بررسی این رویکرد به عنوان راهی برای درک بهتر علل اختلالات ژنتیکی و توقف رشد جنینی است. این دانش می‌تواند تحقیقات بیشتری را با هدف بهبود قابلیت اطمینان و ایمنی فناوری‌های کمک باروری ارائه دهد.

این کار تحت نظارت کمیته اخلاق دانشگاه کلمبیا انجام شد. یان کونوالینکا، مدیر موسسه پراگ، خاطرنشان کرد که بحث در مورد چنین آزمایش‌هایی فراتر از جامعه علمی ضروری است.

او گفت: «من معتقدم بحث اخلاقی پیرامون چنین تحقیقاتی موجه و ضروری است. هدف علوم بنیادی گسترش مرز‌های دانش است و همزمان به ما کمک می‌کند تا قابلیت‌ها و محدودیت‌های فناوری‌های مدرن را بهتر درک کنیم.»

او معتقد است که ارزش این کار هم در داده‌های جدیدی است که در مورد توسعه اولیه ارائه می‌دهد و هم در روشن کردن محدودیت‌های روش‌های موجود. این مطالعه به شناسایی مسائلی که هنوز باید قبل از استفاده از نتایج آزمایشگاهی برای اهداف پزشکی حل شوند، کمک می‌کند.