یک دستاورد مهم در کنترل ژنها: استفاده از ساختارهای جدید برای تنظیم دقیق فعالیت ژن در سلولهای پستانداران
در دنیای پیچیده زیستشناسی سلولی، دانشمندان همواره به دنبال راههایی برای کنترل دقیق فعالیت ژنها بودهاند. ژنها دستورالعملهای ساخت و عملکرد سلولها را در خود دارند و تنظیم درست آنها برای سلامت و عملکرد سلول بسیار حیاتی است. اخیراً، یک حوزه تحقیقاتی جذاب به نام “اندامکهای بدون غشاء” توجه بسیاری را به خود جلب کرده است. این ساختارها، برخلاف اندامکهای سنتی مانند هسته یا میتوکندری که توسط غشا احاطه شدهاند، از طریق فرآیندی به نام “جداسازی فاز” به طور خودبهخودی در داخل سلول شکل میگیرند.
مطالعات جدید نشان دادهاند که این اندامکهای بدون غشاء نقش مهمی در سازماندهی سلول و تنظیم فعالیتهای مختلف بیولوژیکی دارند. به عنوان مثال، گرانولهای P که در تولید مثل نقش دارند و گرانولهای استرس که در پاسخ به شرایط تنشزا در سلول ظاهر میشوند، نمونههایی از این ساختارها هستند که به طور طبیعی در سلول وجود دارند. این ساختارها با متمرکز کردن پروتئینها و اسیدهای نوکلئیک در مناطق خاصی از سلول، به تنظیم فرآیندهایی مانند متابولیسم RNA، ساخت ریبوزومها، ترمیم DNA و انتقال پیامهای سلولی کمک میکنند.
با توجه به این نقشهای مهم، دانشمندان به این فکر افتادند که آیا میتوان از این ساختارهای طبیعی الهام گرفت و ساختارهای مشابهی را به صورت مصنوعی طراحی کرد تا بتوان فعالیت ژنها را به طور دلخواه کنترل کرد؟ در واقع، در سالهای اخیر، علاقه زیادی به استفاده از این “کندانساتهای بیومولکولی” در زمینههای مهندسی مانند زیستشناسی مصنوعی و بیوتکنولوژی ایجاد شده است. برای مثال، محققان توانستهاند از این ساختارها برای متمرکز کردن عوامل رونویسی و در نتیجه افزایش بیان ژنهای خاص استفاده کنند. همچنین، ساختارهایی طراحی شدهاند که میتوانند DNA پلاسمیدی را در داخل باکتریها محصور کرده و ساختارهایی شبیه به هسته در این موجودات سادهتر ایجاد کنند.
با این حال، استفاده از این کندانساتهای مهندسی شده به عنوان یک روش معمول برای کنترل بیان ژن هنوز در مراحل ابتدایی خود قرار دارد. اگرچه قبلاً نشان داده شده است که میتوان با محصور کردن و آزاد کردن پروتئینها و مولکولهای RNA در سیتوزول سلولهای پستانداران، فعالیت پروتئین و ترجمه را کنترل کرد، اما ایجاد کندانساتهای مصنوعی سفارشی که بتوانند فعالیت ژنهای مختلف درونزا و برونزا را در داخل هسته سلول تنظیم کنند، میتواند کاربردهای این فناوری را به طور چشمگیری گسترش دهد.
در مطالعهای که در منبع “Programmable solid-state condensates for spatiotemporal control of mammalian gene expression” گزارش شده است، محققان یک دستاورد مهم در این زمینه داشتهاند. آنها نشان دادهاند که میتوان کندانساتهای پروتئینی حالت جامد را به مکانهای مختلف درون سلولی مورد نظر (مانند سیتوزول، هسته، غشای پلاسمایی و میتوکندری) متصل کرد و از این طریق، طیف وسیعی از ژنها را تنظیم کرد. این تنظیم میتواند شامل فعال کردن یا خاموش کردن ترجمه (ساخت پروتئین از روی RNA) و همچنین فعال کردن یا خاموش کردن رونویسی (تبدیل DNA به RNA) ژنهای مختلف باشد.
یکی از نکات جالب این مطالعه، رویکرد جدید آنها برای کنترل ترجمه بود. در روشهای سنتی، معمولاً تلاش میشود تا mRNA (مولکولی که دستورالعمل ساخت پروتئین را از DNA به ریبوزومها، محل ساخت پروتئین، منتقل میکند) را از دسترس ریبوزومها در سیتوزول خارج کنند. اما در این مطالعه، محققان نشان دادند که محصور کردن پیشساز mRNA (pre-mRNA) در داخل کندانساتهای هستهای میتواند روشی موثرتر برای جلوگیری از ترجمه باشد. این یافته چندان تعجبآور نیست، زیرا pre-mRNA به طور طبیعی در داخل هسته وجود دارد و هنوز آماده ترجمه نیست. ایجاد یک ساختار اضافی در داخل هسته به شکل کندانسات مصنوعی، یک مانع فیزیکی قویتر بین حالت خاموش ترجمه (mRNA ذخیره شده در کندانساتهای هستهای) و حالت روشن آن ایجاد میکند. در واقع، مقایسه مستقیم عملکرد جداسازی mRNA بین کندانساتهای سیتوزولی و هستهای نشان داد که کندانساتهای هستهای مبتنی بر پروتئین FUS478 در کاهش بیان پایه ژن بسیار موفقتر از کندانساتهای سیتوزولی مبتنی بر پروتئین LplA عمل میکنند. علاوه بر این، محققان مشاهده کردند که در غیاب ماده شیمیایی گرازوپرویر، مقدار قابل توجهی mRNA از کندانساتهای سیتوزولی نشت میکند، در حالی که در شرایط مشابه، هیچ mRNA سیتوزولی در کندانساتهای هستهای مشاهده نشد. نکته مهم دیگر این بود که تنظیم ترجمه از طریق نگهداری mRNA در هسته به نظر میرسد که به طور خاص به وجود ساختارهای کندانسات نیاز دارد، زیرا صرفاً جذب پروتئینهای متصل به mRNA به هسته به تنهایی کارایی تنظیم کافی را نشان نداد.
علاوه بر کنترل ترجمه، محققان در این مطالعه به بهبود فناوری CRISPR-Cas9 نیز پرداختهاند. فناوری CRISPR-Cas9 یک ابزار قدرتمند برای ویرایش ژن است که معمولاً بر کنترل جداگانه پروتئین Cas9 یا مولکول راهنمای RNA (sgRNA) تمرکز دارد. اما این رویکرد سنتی ممکن است در تنظیمات پیچیدهتر ژنی که نیاز به کنترل هماهنگ چندین عنصر ژنتیکی دارند، با محدودیتهایی مواجه شود. در مقابل، محققان در این مطالعه یک استراتژی جدید مبتنی بر کندانسات به نام “لنگر دوگانه” را معرفی کردند. این استراتژی به آنها اجازه میدهد تا با استفاده از یک سیستم واحد، هم پروتئین Cas9 و هم sgRNA را به طور همزمان دستکاری کنند. این رویکرد منجر به افزایش چشمگیر کارایی در روشن و خاموش کردن ژنها شد، به طوری که در تنظیم ژنهای خارجی (ترانس ژنها) بیش از 40 برابر و در تنظیم برخی از ژنهای داخلی (درونزا) تا 102 برابر کارایی بیشتری نشان داد. این تفاوت در کارایی ممکن است به دلیل عوامل مختلفی مانند طراحی sgRNA یا وضعیت کروماتین (ساختار DNA و پروتئین در داخل هسته) در اطراف ژن هدف باشد.
در زمینه تنظیم رونویسی، استفاده از دامنههای اپی ژنتیکی خاص مانند KRAB برای خاموش کردن ژنها یک روش استاندارد محسوب میشود. در این مطالعه، محققان نشان دادند که کندانساتهای هستهای مصنوعی میتوانند کارایی مشابهی در خاموش کردن ژنها نسبت به دامنههای KRAB داشته باشند. با این حال، سیستم طراحی شده توسط آنها، NLS–PB1–AG–NS3a(H1)، در ایجاد سیستمهای اتصال القایی (سیستمهایی که میتوان با یک محرک خاص آنها را فعال یا غیرفعال کرد) مزایای قابل توجهی داشت. این سیستم به خوبی با عناصر تنظیمی ANR و GNCR که توسط ماده شیمیایی گرازوپرویر کنترل میشوند و همچنین با واحدهای رونویسی مختلف (هم طبیعی و هم مصنوعی) سازگار بود. این قابلیت سیستم NLS–PB1–AG–NS3a(H1) در تنظیم ژنهای موجود در کروموزوم ممکن است تا حدی غیرمنتظره باشد، زیرا انتظار نمیرود که کل کروموزومها در چنین شرایطی در داخل کندانساتهای هستهای به دام بیفتند. بنابراین، مکانیسم دقیق مولکولی تنظیم رونویسی توسط این رویکرد مبتنی بر کندانسات هنوز نیاز به تحقیقات بیشتری دارد.
به طور کلی، این مطالعه یک اصل طراحی جامع، مدولار و چندمنظوره را نشان میدهد که میتواند کندانساتهای بیومولکولی را به یک ابزار موثر و کاربردی برای تنظیم بیان ژنهای هدف در سلولهای پستانداران تبدیل کند. در حال حاضر، هنگام طراحی سیستمهایی برای کنترل بیان ژن در مراحل مختلف تولید پروتئین، اغلب لازم است که روابط تنظیمی بین سیگنالهای ورودی و ژنهای هدف به دقت بازطراحی یا تنظیم شوند. برای مثال، برای ایجاد پروموترهای القایی مختلف که به عوامل رونویسی مختلف پاسخ میدهند، باید جایگاههای اتصال خاص در نواحی پروموتر مصنوعی به صورت جداگانه جایگزین شوند که این امر میتواند منجر به نتایج غیرقابل پیشبینی، عملکرد متفاوت در انواع سلولهای مختلف و صرف زمان و تلاش زیادی برای مهندسی شود.
در مقابل، رویکرد “بالا به پایین” که در این مطالعه ارائه شده است، ابتدا هر ژن مورد نظر (چه داخلی و چه خارجی) را از طریق پروتئینهای لنگر سفارشی طراحی شده هدف قرار میدهد. سپس، یک ساختار کندانسات مهاری یکسان از طریق تعاملات پروتئین-پروتئین از پیش برنامهریزی شده به این پروتئین لنگر متصل یا از آن جدا میشود. در این مطالعه، محققان از سیستم GNCR–NS3a(H1)–ANR که توسط گرازوپرویر کنترل میشود برای ایجاد جذب القایی کندانسات یا رهاسازی محصول ژن هدف استفاده کردند. با جایگزین کردن این ماژول دیمریزاسیون پروتئین مشروط با جفتهای دیگری از تعاملات پروتئین-پروتئین وابسته به لیگاند، میتوان از سیگنالهای ورودی مختلف برای کنترل همان ژنهای هدف به روشی بسیار مدولار و با قابلیت اتصال آسان استفاده کرد.
در مورد ژنهای هدف، این مطالعه نشان میدهد که جذب کندانساتهای مصنوعی میتواند به طور موثر پروموتر قوی و همیشگی PhCMV را بدون نیاز به وارد کردن جایگاههای اتصال خاص بین ناحیه پروموتر و ژن کدکننده خاموش کند. تا زمانی که یک پروتئین لنگر برای هدف قرار دادن یک ناحیه غیرکدکننده در نزدیکی یا دوری از ژن مورد نظر طراحی شود، میتوان با جذب کندانسات، خاموشسازی یا سرکوب القایی ژنهای داخلی یا خارجی را به طور موثر انجام داد. به عبارت دیگر، فعالسازی رونویسی القایی را میتوان به راحتی با استفاده از واحدهای بیان همیشگی به دست آورد که این امر میتواند از طراحی مجدد پیچیده و زمانبر ناقلین پلاسمیدی هنگام ایجاد سیستمهای بیان تنظیم شده جلوگیری کند. از نظر تئوری، هدف قرار دادن و خاموش کردن محصولات RNA داخلی نیز با استفاده از این استراتژی مبتنی بر کندانسات امکانپذیر خواهد بود. برای مثال، میتوان از RCas9 به عنوان یک بخش پروتئین لنگر استفاده کرد و از طراحی مشابه استراتژی مبتنی بر dCas9 پیروی کرد. با این حال، محققان معتقدند که چنین رویکردهای مهندسی شده مزایای قابل توجهی نسبت به روشهای سنتی کاهش بیان ژن (knockdown) نخواهند داشت، زیرا انتظار میرود که تنظیم بیان اجزای تداخل RNA یا RNA آنتیسنس نتایج رضایتبخشی را به همراه داشته باشد.
در مجموع، کنترل بیان ژن توسط کندانساتهای مصنوعی یک رویکرد جایگزین ارائه میدهد که میتواند راه را برای کاربردهای فراوان در آینده در زمینههای بیوتکنولوژی و زیستشناسی مصنوعی هموار کند. این تحقیق نشان میدهد که با استفاده از این ساختارهای دینامیک و قابل برنامهریزی میتوان کنترل دقیقتر و انعطافپذیرتری بر فعالیت ژنها در سلولهای پستانداران داشت که میتواند منجر به پیشرفتهای مهمی در درمان بیماریها و توسعه فناوریهای جدید شود.
**منبع:** Programmable solid-state condensates for spatiotemporal control of mammalian gene expression