گامی بلند در ویرایش DNA میتوکندری: معرفی ابزارهای جدید با کارایی بی‌سابقه

در سال‌های اخیر، پیشرفت‌های چشمگیری در حوزه ویرایش ژنوم حاصل شده است، به‌ویژه با ظهور ابزارهایی که امکان تغییرات دقیق در توالی DNA را فراهم می‌آورند. یکی از چالش‌برانگیزترین حوزه‌ها در این زمینه، ویرایش DNA میتوکندریایی (mtDNA) بوده است. mtDNA، ژنوم کوچکی است که در میتوکندری‌ها، یعنی نیروگاه‌های سلول، قرار دارد و جهش در آن می‌تواند منجر به طیف وسیعی از بیماری‌های ارثی شود. ابزارهای ویرایش پایه A-به-G موجود برای mtDNA، پیش از این با محدودیت‌های قابل توجهی از جمله کارایی پایین مواجه بودند. اما اخیراً، گروهی از دانشمندان با استفاده از یک رویکرد هوشمندانه، موفق به توسعه ابزارهای جدیدی شده‌اند که نه تنها کارایی ویرایش را به طرز چشمگیری افزایش می‌دهند، بلکه دقت و سازگاری هدف‌گیری را نیز بهبود می‌بخشند.

غلبه بر محدودیت‌ها: تکامل هدایت‌شده در خدمت ویرایش پایه

محققان در این پژوهش، از تکنیک قدرتمند تکامل هدایت‌شده (directed evolution) برای کشف گونه‌های جدیدی از ویرایشگرهای پایه TadA-8e استفاده کردند. این رویکرد، که تقلیدی از فرآیند تکامل طبیعی در آزمایشگاه است، به آن‌ها امکان داد تا نسخه‌هایی از این ویرایشگرها را شناسایی کنند که دارای فعالیت بسیار افزایش‌یافته و سازگاری هدف‌گیری گسترده‌تر هستند. این بهینه‌سازی، هم برای ویرایش پایه آدنین (A-to-G) در DNA هسته‌ای و هم در mtDNA مؤثر بوده است. نکته حائز اهمیت این است که این ابزارهای جدید حتی در زمینه‌های توالی که قبلاً مورد علاقه نبودند (unfavored sequence contexts) نیز کارایی بالایی از خود نشان دادند. این پیشرفت، موانع عمده‌ای را که محققان پیش از این در هدف‌گیری مناطق خاصی از ژنوم با آن‌ها روبرو بودند، از میان برمی‌دارد.

eTd-mtABEs: کارایی و دقت در سلول‌های انسانی

ویرایشگرهای mtDNA مهندسی‌شده که محققان آن‌ها را eTd-mtABEs نامیده‌اند، کارایی ویرایشی فوق‌العاده‌ای از خود نشان دادند. در آزمایشات انجام شده بر روی سلول‌های انسانی، این ویرایشگرها تا ۸۷ درصد کارایی ویرایش را به نمایش گذاشتند. این رقم، یک پیشرفت قابل توجه در مقایسه با ابزارهای قبلی است و به معنای آن است که بخش بسیار زیادی از مولکول‌های DNA هدف، می‌توانند با موفقیت ویرایش شوند.

علاوه بر کارایی بالا، یکی دیگر از جنبه‌های حیاتی هر ابزار ویرایش ژنوم، کاهش اثرات خارج از هدف (off-target effects) است. ویرایش‌های ناخواسته در مکان‌های نادرست ژنوم می‌توانند منجر به عواقب نامطلوب و حتی آسیب‌رسان شوند. خبر خوب این است که eTd-mtABEs اثرات خارج از هدف را هم در DNA و هم در RNA به شدت کاهش دادند. این ویژگی، ایمنی و قابلیت اطمینان این ابزارهای جدید را برای کاربردهای تحقیقاتی و ترجمانی افزایش می‌دهد.

بهبود ویرایش رشته‌ای انتخابی و مقایسه با ابزارهای قبلی

یکی دیگر از نوآوری‌های مهم این پژوهش، افزایش ویرایش A-به-G رشته‌ای انتخابی (strand-selective A-to-G editing) بود. محققان با جایگزینی آنزیم DddA با DNA نیکازها (DNA nickases) در ساختار اصلی ویرایشگرهای eTd-mtABE، توانستند این ویژگی را به طور متوسط ۳/۲ برابر نسبت به ویرایشگرهای ABE میتوکندریایی قبلی افزایش دهند. ویرایش رشته‌ای انتخابی به معنای توانایی ابزار برای ویرایش یک رشته خاص از DNA دو رشته‌ای است که در برخی کاربردها می‌تواند بسیار مهم باشد.

برای ارزیابی قدرت واقعی eTd-mtABEs، محققان آن‌ها را با ابزارهای ویرایش قدیمی‌تر مقایسه کردند. در آزمایشات انجام شده بر روی سلول‌های موش صحرایی، کارایی ویرایش eTd-mtABEs تا ۱۴۵ برابر بالاتر از ویرایشگرهای DddA مرتبط با عامل فعال‌کننده رونویسی (split DddA transcription activator-like effector-linked deaminase) بود. این مقایسه، برتری قاطع ابزارهای جدید را در دستیابی به ویرایش‌های موثر و کارآمد در محیط سلولی واقعی نشان می‌دهد.

کاربردهای ترجمانی: ایجاد مدل‌های بیماری و پتانسیل درمانی

یکی از هیجان‌انگیزترین جنبه‌های این پژوهش، قابلیت ترجمانی و کاربردی آن است. محققان با استفاده از ابزارهای eTd-mtABEs، موفق به تولید موش‌های صحرایی با کم‌شنوایی حسی-عصبی (sensorineural hearing loss) شدند. این کار با ایجاد جهش‌های هدفمند در DNA میتوکندری از طریق تزریق در جنین انجام شد و فراوانی جهش‌ها تا ۴۴ درصد نیز مشاهده گردید.

ایجاد مدل‌های حیوانی دقیق از بیماری‌های انسانی، گامی حیاتی در درک مکانیسم‌های بیماری و توسعه درمان‌های جدید است. با توانایی القای جهش‌های خاص در mtDNA با کارایی بالا، eTd-mtABEs ابزاری قدرتمند برای مطالعه پاتوژنز بیماری‌های مرتبط با میتوکندری و آزمایش رویکردهای درمانی بالقوه فراهم می‌کنند. این موفقیت، دریچه‌ای جدید به سوی تحقیقات بنیادین و مطالعات ترجمانی در زمینه بیماری‌های میتوکندریایی می‌گشاید.

نتیجه‌گیری: ابزاری کارآمد و دقیق برای مهندسی mtDNA

در مجموع، ویرایشگرهای eTd-mtABEs که در این پژوهش توسعه یافته‌اند، ابزارهای کارآمد و دقیقی برای مهندسی DNA میتوکندریایی هستند. افزایش چشمگیر کارایی، کاهش اثرات خارج از هدف و قابلیت ویرایش در زمینه‌های توالی دشوار، آن‌ها را به گزینه‌ای برتر نسبت به ابزارهای موجود تبدیل می‌کند.

این پیشرفت‌ها، پیامدهای گسترده‌ای برای تحقیقات پایه و مطالعات ترجمانی دارند. در حوزه تحقیقات پایه، این ابزارها امکان بررسی عمیق‌تر نقش mtDNA در فرآیندهای سلولی و بیماری‌ها را فراهم می‌کنند. در حوزه ترجمانی، پتانسیل آن‌ها برای ایجاد مدل‌های حیوانی دقیق بیماری‌های میتوکندریایی و در نهایت، توسعه رویکردهای ژن‌درمانی برای اصلاح جهش‌های آسیب‌زا در انسان، بسیار امیدوارکننده است. این مطالعه گام مهمی در جهت بهره‌برداری کامل از پتانسیل ویرایش ژنوم برای بهبود سلامت انسان برداشته است.

منبع :

Efficient mitochondrial A-to-G base editors for the generation of mitochondrial disease models