فناوری ویرایش ژنوم CRISPR به دانشمندان کمک می کند تا بسیاری از جهش های مرتبط با سرطان را کشف کنند

مطالعات ژنومی بیماران سرطانی هزاران جهش مرتبط با رشد تومور را نشان داده است. با این حال، برای اکثریت قریب به اتفاق این جهش ها، محققان مطمئن نیستند که چگونه آنها در ایجاد سرطان نقش دارند زیرا هیچ راه آسانی برای مطالعه آنها در مدل های حیوانی وجود ندارد.

در پیشرفتی که می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا در فهرست طولانی جهش‌های ناشناخته نفوذ کنند، محققان MIT راهی برای مهندسی آسان جهش‌های مرتبط با سرطان در مدل‌های موش ایجاد کرده‌اند.

با استفاده از این تکنیک که مبتنی بر فناوری ویرایش ژنوم CRISPR است، محققان مدل‌هایی از چندین جهش مختلف ژن عامل سرطان Kras را در اندام‌های مختلف ایجاد کرده‌اند. آنها معتقدند که این روش می تواند برای تقریباً هر نوع دیگری از جهش سرطانی که شناسایی شده است نیز استفاده شود.

چنین مدل هایی می تواند به محققان کمک کند داروهای جدیدی را که این جهش ها را هدف قرار می دهند شناسایی و آزمایش کنند.

این یک ابزار فوق العاده قدرتمند برای بررسی اثرات اساساً هر جهش مورد علاقه در یک حیوان دست نخورده و در کسری از زمان مورد نیاز برای روش های قبلی است.

تایلر جکس، استاد زیست شناسی دیوید اچ. کخ، عضو موسسه تحقیقات سرطان یکپارچه در MIT، و یکی از نویسندگان ارشد مطالعه جدید

فرانسیسکو سانچز-ریورا، استادیار زیست شناسی در MIT و عضو مؤسسه کخ، و دیوید لیو، استاد گروه شیمی و زیست شناسی شیمیایی دانشگاه هاروارد و یکی از اعضای مؤسسه اصلی مؤسسه براد، نیز نویسندگان ارشد این مقاله هستند. مطالعه ای که امروز در بیوتکنولوژی طبیعت.

Zack Ely PhD ’22، یک دانشجوی سابق کارشناسی ارشد MIT که اکنون یک دانشمند مدعو در MIT است، و دانشجوی فارغ التحصیل MIT Nicolas Mathey-Andrews نویسندگان اصلی مقاله هستند.

ویرایش سریعتر

آزمایش داروهای سرطان در مدل‌های موش، گام مهمی در تعیین اینکه آیا آن‌ها به اندازه کافی ایمن و مؤثر هستند تا وارد آزمایش‌های بالینی انسانی شوند، است. در 20 سال گذشته، محققان از مهندسی ژنتیک برای ایجاد مدل‌های موش با حذف ژن‌های سرکوب‌کننده تومور یا فعال کردن ژن‌های محرک سرطان استفاده کرده‌اند. با این حال، این رویکرد کار فشرده است و برای تولید و تجزیه و تحلیل موش هایی با یک جهش مرتبط با سرطان به چندین ماه یا حتی سال نیاز دارد.

الی می‌گوید: «یک دانشجوی فارغ‌التحصیل می‌تواند یک دکترای کامل را حول ایجاد مدلی برای یک جهش بسازد. با مدل‌های سنتی، دهه‌ها طول می‌کشد تا به تمام جهش‌هایی که با اطلس ژنوم سرطان کشف کرده‌ایم، برسد.»

در اواسط دهه 2010، محققان شروع به بررسی امکان استفاده از سیستم ویرایش ژنوم CRISPR برای ایجاد جهش‌های سرطانی آسان‌تر کردند. برخی از این کارها در آزمایشگاه جکس انجام شد، جایی که سانچز-ریورا (در آن زمان دانشجوی کارشناسی ارشد MIT) و همکارانش نشان دادند که می توانند از CRISPR برای حذف سریع و آسان ژن هایی که اغلب در تومورها گم می شوند استفاده کنند. با این حال، در حالی که این رویکرد حذف ژن‌ها را آسان می‌کند، اما خود را برای وارد کردن جهش‌های جدید در یک ژن نمی‌سازد، زیرا به مکانیسم‌های ترمیم DNA سلول متکی است که تمایل به ایجاد خطا دارند.

با الهام از تحقیقات آزمایشگاه لیو در موسسه برود، تیم MIT می‌خواست راهی برای انجام ویرایش ژن دقیق‌تر ارائه کند که به آنها امکان می‌دهد جهش‌های بسیار هدفمندی در انکوژن‌ها (ژن‌هایی که باعث سرطان می‌شوند) یا سرکوبگرهای تومور ایجاد کنند.

در سال 2019، لیو و همکارانش نسخه جدیدی از ویرایش ژنوم CRISPR به نام ویرایش اولیه را گزارش کردند. برخلاف نسخه اصلی CRISPR که از آنزیمی به نام Cas9 برای ایجاد شکاف های دو رشته ای در DNA استفاده می کند، ویرایش اولیه از یک آنزیم اصلاح شده به نام Cas9 نیکاز استفاده می کند که با آنزیم دیگری به نام رونوشت معکوس ترکیب می شود. این آنزیم همجوشی تنها یک رشته از مارپیچ DNA را قطع می‌کند، که از ایجاد شکستگی‌های DNA دو رشته‌ای که می‌تواند منجر به خطا در هنگام ترمیم DNA توسط سلول شود، جلوگیری می‌کند.

محققان MIT مدل‌های جدید موش خود را با مهندسی ژن آنزیم ویرایشگر اصلی در سلول‌های ژرمینال موش‌ها طراحی کردند که به این معنی است که در هر سلول ارگانیسم وجود خواهد داشت. آنزیم ویرایشگر اولیه کدگذاری شده به سلول ها اجازه می دهد تا یک توالی RNA را در DNA که در ژنوم گنجانده شده است کپی کنند. با این حال، ژن ویرایشگر اصلی تا زمانی که با تحویل پروتئین خاصی به نام Cre recombinase فعال نشود، خاموش می ماند.

از آنجایی که سیستم ویرایش اولیه در ژنوم موش نصب شده است، محققان می توانند رشد تومور را با تزریق Cre recombinase به بافتی که می خواهند جهش سرطانی بیان شود، همراه با یک RNA راهنما که Cas9 نیکاز را هدایت می کند تا یک ویرایش خاص در بافت ایجاد کند، آغاز کنند. ژنوم سلول ها راهنمای RNA را می توان برای القای جایگزینی، حذف یا افزودن تک پایه DNA در یک ژن مشخص طراحی کرد و به محققان این امکان را می دهد تا هر گونه جهش سرطانی را که می خواهند ایجاد کنند.

مدل سازی جهش ها

برای نشان دادن پتانسیل این روش، محققان چندین جهش مختلف را در ژن Kras مهندسی کردند که عامل ایجاد حدود 30 درصد از سرطان های انسانی، از جمله تقریباً همه آدنوکارسینوم های پانکراس است. با این حال، نه همه کراس جهش ها یکسان هستند بسیاری از جهش‌های کراس در محلی به نام G12 رخ می‌دهند که اسید آمینه گلیسین در آن یافت می‌شود و بسته به جهش، این گلیسین می‌تواند به یکی از چندین اسید آمینه مختلف تبدیل شود.

محققان مدل هایی از چهار نوع مختلف جهش کراس که در سرطان ریه یافت می شوند را توسعه دادند: G12C، G12D، G12R و G12A. آنها در کمال تعجب دریافتند که تومورهای تولید شده در هر یک از این مدل ها دارای ویژگی های بسیار متفاوتی هستند. به عنوان مثال، جهش‌های G12R تومورهای ریه بزرگ و تهاجمی ایجاد کردند، در حالی که تومورهای G12A کوچک‌تر بودند و کندتر پیشرفت کردند.

یادگیری بیشتر در مورد اینکه چگونه این جهش ها به طور متفاوت بر رشد تومور تأثیر می گذارند می تواند به محققان کمک کند داروهایی بسازند که هر یک از جهش های مختلف را هدف قرار دهند. در حال حاضر، تنها دو داروی مورد تایید FDA وجود دارد که جهش‌های Kras را هدف قرار می‌دهند و هر دو مختص جهش G12C هستند که حدود 30 درصد از جهش‌های Kras در سرطان ریه را تشکیل می‌دهند.

محققان همچنین از تکنیک خود برای ایجاد ارگانوئیدهای پانکراس با چندین نوع مختلف جهش در ژن p53 سرکوبگر تومور استفاده کردند و اکنون در حال توسعه مدل‌های موشی از این جهش‌ها هستند. آنها همچنین در حال کار بر روی مدل‌هایی از جهش‌های Kras اضافی، همراه با جهش‌های دیگری هستند که به ایجاد مقاومت در برابر مهارکننده‌های Kras کمک می‌کنند.

Mathey-Andrews می‌گوید: «یک چیزی که ما در مورد آن هیجان‌زده هستیم، بررسی ترکیبی از جهش‌ها از جمله جهش‌های Kras است که باعث ایجاد تومور می‌شود، همراه با جهش‌های مرتبط با مقاومت». ما امیدواریم که این موضوع نه تنها به ما کمک کند که آیا جهش باعث مقاومت می شود، بلکه یک تومور مقاوم چگونه به نظر می رسد؟

محققان موش هایی را با سیستم ویرایش اولیه مهندسی شده در ژنوم آنها از طریق یک مخزن در آزمایشگاه جکسون در دسترس قرار داده اند و امیدوارند که آزمایشگاه های دیگر شروع به استفاده از این روش برای مطالعات خود در مورد جهش های سرطانی کنند.

این تحقیق توسط مرکز لودویگ در MIT، مؤسسه ملی سرطان، فلوشیپ هانا گری مؤسسه پزشکی هاوارد هیوز، بنیاد V برای تحقیقات سرطان، جایزه مرزی مؤسسه کخ، کمیته حمایت از تحقیقات MIT، کمک هزینه تحصیلی هلن هی ویتنی پسا دکترا تأمین شد. ، صندوق کمک هزینه تحصیلی فارغ التحصیل دیوید اچ. کوخ، مؤسسه ملی بهداشت، و بنیاد Lustgarten برای تحقیقات سرطان پانکراس.

سایر نویسندگان مقاله عبارتند از: سانتیاگو نارانجو، ساموئل گولد، کیم مرسر، گریگوری نیوبی، کریستینا کابانا، ویلیام رایدآوت، گریسل سروانتس جارامیلو، جنیفر خیرالله، کیتی هالند، پیتون راندولف، ویلیام فرید پاستور، جسی دیویس، زکری وست کولستاد، پیتر کولستاد، پیتر کولستاد. ، لین لین، اندرو آنزالونه، برندان هورتون، نیمیشا پاتادا، شان لوک شاناهان، ژونگ فنگ یه، استفانی اسپرانگر و کیائوبینگ خو.