اولین سیستم هدایت شونده RNA قابل برنامه ریزی در یوکاریوت ها یافت شد

تیمی از محققان به سرپرستی فنگ ژانگ در موسسه Broad MIT و هاروارد و موسسه McGovern برای تحقیقات مغز در MIT اولین سیستم هدایت شونده قابل برنامه ریزی با RNA را در یوکاریوت ها کشف کردند. موجوداتی که شامل قارچ ها، گیاهان و حیوانات می شوند.

در مطالعه ای در طبیعت، تیم توضیح می دهد که چگونه این سیستم بر اساس پروتئینی به نام Fanzor است. آنها نشان دادند که پروتئین های Fanzor از RNA به عنوان راهنمای هدف گیری دقیق DNA استفاده می کنند و Fanzors را می توان برای ویرایش ژنوم سلول های انسانی دوباره برنامه ریزی کرد. سیستم‌های فشرده Fanzor این پتانسیل را دارند که راحت‌تر به سلول‌ها و بافت‌ها به عنوان داروی درمانی نسبت به سیستم‌های CRISPR/Cas تحویل داده شوند و اصلاحات بیشتر برای بهبود کارایی هدف‌گیری آنها می‌تواند آنها را به یک فناوری جدید ارزشمند برای ویرایش ژنوم انسانی تبدیل کند.

CRISPR/Cas برای اولین بار در پروکاریوت ها (باکتری ها و سایر موجودات تک سلولی که فاقد هسته هستند) کشف شد و دانشمندان از جمله آزمایشگاه ژانگ مدت هاست به این فکر می کردند که آیا سیستم های مشابهی در یوکاریوت ها وجود دارد یا خیر. مطالعه جدید نشان می‌دهد که مکانیسم‌های برش DNA هدایت‌شده با RNA در تمام پادشاهی‌های زندگی وجود دارد.

ژانگ، نویسنده ارشد این مطالعه و یکی از اعضای مؤسسه اصلی در Broad، محقق مؤسسه مک گاورن MIT، می گوید: «سیستم های مبتنی بر CRISPR به طور گسترده مورد استفاده و قدرتمند هستند، زیرا می توان آنها را به راحتی برای هدف قرار دادن مکان های مختلف در ژنوم دوباره برنامه ریزی کرد. جیمز و پاتریشیا پوتراس، استاد علوم اعصاب در MIT، و محقق موسسه پزشکی هاوارد هیوز. این سیستم جدید راه دیگری برای ایجاد تغییرات دقیق در سلول‌های انسانی است که مکمل ابزارهای ویرایش ژنومی است که در حال حاضر داریم.

جستجو در حوزه های زندگی

هدف اصلی آزمایشگاه ژانگ توسعه داروهای ژنتیکی با استفاده از سیستم هایی است که می توانند سلول های انسانی را با هدف قرار دادن ژن ها و فرآیندهای خاص تعدیل کنند. ژانگ گفت: “چند سال پیش، ما شروع به پرسیدن کردیم، “فراتر از CRISPR چه چیزی وجود دارد، و آیا سیستم های قابل برنامه ریزی با RNA دیگری در طبیعت وجود دارد؟”

دو سال پیش، اعضای آزمایشگاه ژانگ دسته‌ای از سیستم‌های قابل برنامه‌ریزی با RNA را در پروکاریوت‌ها به نام OMEGA کشف کردند که اغلب با عناصر قابل انتقال یا “ژن‌های پرش” در ژنوم باکتری‌ها مرتبط هستند و احتمالاً باعث ایجاد سیستم‌های CRISPR/Cas شده‌اند. این کار همچنین شباهت‌های بین سیستم‌های امگا پروکاریوتی و پروتئین‌های فانزور در یوکاریوت‌ها را برجسته کرد و نشان داد که آنزیم‌های فانزور ممکن است از مکانیسم هدایت‌شده با RNA برای هدف‌گیری و برش DNA استفاده کنند.

در مطالعه جدید، محققان مطالعه خود را بر روی سیستم‌های هدایت‌شونده RNA با جداسازی Fanzors از قارچ‌ها، جلبک‌ها و گونه‌های آمیب و همچنین صدف معروف به Northern Quahog ادامه دادند. نویسنده اول ماکوتو سایتو از آزمایشگاه ژانگ، خصوصیات بیوشیمیایی پروتئین‌های فانزور را هدایت کرد و نشان داد که آنها آنزیم‌های اندونوکلئاز برش دهنده DNA هستند که از RNAهای غیرکدکننده نزدیک به نام ωRNAs برای هدف قرار دادن مکان‌های خاص در ژنوم استفاده می‌کنند. این اولین بار است که این مکانیسم در یوکاریوت ها مانند حیوانات یافت می شود.

برخلاف پروتئین‌های CRISPR، آنزیم‌های Fanzor در ژنوم یوکاریوتی در عناصر قابل انتقال کدگذاری می‌شوند و تجزیه و تحلیل فیلوژنتیک تیم نشان می‌دهد که ژن‌های Fanzor از طریق به اصطلاح انتقال ژن افقی از باکتری به یوکاریوت مهاجرت کرده‌اند.

این سیستم‌های امگا اجدادی CRISPR هستند و از فراوان‌ترین پروتئین‌های روی کره زمین هستند، بنابراین منطقی است که آنها توانسته‌اند بین پروکاریوت‌ها و یوکاریوت‌ها حرکت کنند.

ماکوتو سایتو، نویسنده اول

برای کشف پتانسیل Fanzor به عنوان یک ابزار ویرایش ژنوم، محققان نشان دادند که می تواند درج و حذف در سایت های ژنومی هدف در سلول های انسانی ایجاد کند. محققان دریافتند که سیستم Fanzor در ابتدا در برش DNA نسبت به سیستم‌های CRISPR/Cas کارایی کمتری دارد، اما با مهندسی سیستماتیک، ترکیبی از جهش‌ها را به پروتئین وارد کردند که فعالیت آن را 10 برابر افزایش داد. علاوه بر این، بر خلاف برخی از سیستم‌های CRISPR و پروتئین OMEGA TnpB، تیم دریافتند که یک پروتئین Fanzor مشتق از قارچ «فعالیت جانبی» را نشان نمی‌دهد، جایی که آنزیم هدایت‌شده با RNA هدف DNA خود را می‌شکند و همچنین DNA یا RNA مجاور را تجزیه می‌کند. نتایج نشان می دهد که Fanzors می تواند به طور بالقوه به عنوان ویرایشگرهای ژنوم کارآمد توسعه یابد.

یکی از نویسندگان، Peiyu Xu، تلاشی را برای تجزیه و تحلیل ساختار مولکولی کمپلکس Fanzor/orRNA و نشان دادن چگونگی چسباندن آن به DNA برای بریدن آن، انجام داد. Fanzor شباهت‌های ساختاری با پروتئین همتای پروکاریوتی خود CRISPR-Cas12 دارد، اما تعامل بین ωRNA و حوزه‌های کاتالیزوری Fanzor گسترده‌تر است و نشان می‌دهد که ωRNA ممکن است در واکنش‌های کاتالیزوری نقش داشته باشد. Xu گفت: “ما در مورد این بینش های ساختاری برای کمک به ما در مهندسی و بهینه سازی Fanzor برای بهبود کارایی و دقت به عنوان یک ویرایشگر ژنوم هیجان زده هستیم.”

مانند سیستم های مبتنی بر CRISPR، سیستم Fanzor را می توان به راحتی برای هدف قرار دادن مکان های ژنومی خاص مجدداً برنامه ریزی کرد و ژانگ گفت که می تواند روزی به یک فناوری جدید ویرایش ژنوم قدرتمند برای کاربردهای تحقیقاتی و درمانی تبدیل شود. فراوانی اندونوکلئازهای هدایت‌شده با RNA مانند Fanzors تعداد سیستم‌های OMEGA شناخته شده در قلمروهای حیات را بیشتر می‌کند و نشان می‌دهد که هنوز تعداد بیشتری از آن‌ها یافت نشده است.

ژانگ گفت: “طبیعت شگفت انگیز است. تنوع بسیار زیادی وجود دارد.” احتمالاً سیستم‌های قابل برنامه‌ریزی با RNA بیشتری وجود دارد، و ما به کاوش ادامه می‌دهیم و امیدواریم موارد بیشتری را کشف کنیم.»

نویسندگان دیگر مقاله عبارتند از: Guilhem Faure، Samantha Maguire، Soumya Kannan، Han Altae-Tran، Sam Vo، AnAn Desimone و Rhiannon Macrae.