استراتژی مبتنی بر CRISPR نورون های تحت تأثیر سندرم رت را بازیابی می کند

سندرم رت یک اختلال رشد عصبی نادر و پیشرونده است که به طور معمول دختران را تحت تاثیر قرار می دهد و باعث ناتوانی شدید ذهنی، از دست دادن مهارت های حرکتی و علائمی شبیه به اوتیسم می شود و در حال حاضر هیچ درمانی وجود ندارد. سندرم رت به دلیل جهش از دست دادن عملکرد در ژن کروموزوم X MECP2 ایجاد می شود. زنان معمولاً دو نسخه از MECP2 دارند – یکی در هر کروموزوم X – و در بیشتر موارد سندرم رت، تنها یک نسخه دارای جهش است. این بیماری به این دلیل رخ می دهد که نسخه طبیعی دیگر MECP2 توسط فرآیندی به نام غیرفعال کردن کروموزوم X در نورون ها خاموش می شود.

در مقاله ای که در مجله منتشر شده است پزشکی ترجمه علوم در 18 ژانویه، رودولف یانیش، موسس مؤسسه Whitehead; استادیار مرکز پزشکی دانشگاه کلمبیا، شاون لیو، که قبلاً فوق دکترای آزمایشگاه Jaenisch بود. دانشجوی کارشناسی ارشد در آزمایشگاه لیو جونمینگ کیان. و فوق دکترا در آزمایشگاه لیو Xiaonan Guan نشان می دهد که آنها می توانند نسخه های طبیعی MECP2 را در نورون های سندرم رت در آزمایشگاه دوباره فعال کنند و این می تواند به طور موثر عملکرد نورون ها را بازیابی کند. آنها این کار را با استفاده از یک جفت ابزار اصلاح شده CRISPR که برای کمک به فعال کردن ژن های خاموش شده طراحی کرده بودند، انجام دادند. محققان امیدوارند که این استراتژی بتواند به یک درمان موفق برای سندرم رت تبدیل شود.

Jaenisch، همچنین استاد زیست‌شناسی در موسسه فناوری ماساچوست، می‌گوید: «ما این واقعیت را دیدیم که نورون‌های سندرم رت یک نسخه طبیعی از ژن بیماری را دارند که اتفاقاً خاموش شده است. “نتایج ما نشان می دهد که فعال کردن مجدد این کپی از ژن می تواند یک استراتژی درمانی خوب باشد.”

اصلاح CRISPR برای فعال کردن ژن ها

CRISPR/Cas9 یک ابزار مولکولی است که محققان از آن برای ویرایش ژن ها استفاده می کنند. زمانی که لیو در آزمایشگاه Jaenisch فوق دکترا بود، او و همکارانش اصلاحاتی را در CRISPR/Cas9 ایجاد کردند که در آن ابزار به جای ویرایش، ژن ها را روشن یا خاموش می کرد. این ابزار این کار را با حذف گروه‌های متیل، برچسب‌های شیمیایی که به DNA می‌چسبند و بیان ژن را تحت تأثیر قرار می‌دهند، انجام می‌دهد. محققان از ابزار خود برای بازیابی نورون های تحت تاثیر سندرم X شکننده، یک اختلال عصبی رشدی که باعث ناتوانی ذهنی عمدتاً در پسران می شود، با حذف متیلاسیون از ژن بیماری خاموش FMR1 استفاده کردند.

لیو می خواست از این ابزار برای بیماری های دیگر استفاده کند. او به سندرم رت توجه کرد زیرا این سندرم شباهت هایی به سندرم X شکننده دارد – این یک اختلال رشد عصبی ناشی از جهش به یک ژن است – اما چالش جدیدی را نیز ارائه کرد – فعال کردن مجدد یک ژن از یک کروموزوم X غیرفعال.

غیرفعال سازی کروموزوم X فرآیندی است که به طور طبیعی در سلول های افراد دارای دو کروموزوم X در طول تکامل رخ می دهد. این سلول ها دو برابر بیشتر از ژن های کروموزوم X نیاز دارند، به این معنی که اگر هر دو نسخه فعال بمانند، ژن ها بیش از حد بیان می شوند. بنابراین، هر سلول، ژن‌های یک کپی از کروموزوم X را خاموش می‌کند و یک نسخه را به‌طور تصادفی انتخاب می‌کند. برای افراد مبتلا به سندرم رت، این بدان معناست که تقریباً در نیمی از نورون‌های آن‌ها، نسخه طبیعی MECP2 خاموش می‌شود و تنها نسخه جهش یافته فعال باقی می‌ماند. نورون های آسیب دیده دارای بدنه سلولی کوچکتر و فعالیت الکتریکی غیر معمول هستند که منجر به علائم سندرم رت می شود.

چالشی که لیو و تیمش در فعال‌سازی مجدد نسخه‌های معمولی MECP2 با آن مواجه بودند این است که غیرفعال‌سازی کروموزوم X یک سیستم بسیار قدرتمند در سلول‌ها است و لایه‌های مکانیسم‌های متعددی ژن‌ها را خاموش می‌کنند تا از بیان بیش از حد آنها جلوگیری شود. هنگامی که محققان ابزار موجود خود را روی نورون‌های سندرم رت به کار بردند و متیلاسیونی را که MECP2 را خاموش می‌کند حذف کردند، این امر بیان ژن را تا حدودی افزایش داد، اما برای بازگرداندن فعالیت طبیعی در نورون‌ها کافی نبود. محققان این فرضیه را مطرح کردند که برای بازیابی مؤثر نورون‌های تحت تأثیر سندرم رت، باید حداقل با یکی از مکانیسم‌های خاموش کننده ژن‌های کروموزوم X مقابله کنند.

دو ابزار بهتر از یک ابزار هستند

مجموعه‌ای از ژن‌های کروموزوم X به نام Escapees سرنخی ارائه کردند. این ژن ها تحت تأثیر غیرفعال شدن کروموزوم X قرار نمی گیرند، بنابراین هر دو نسخه آنها فعال می مانند. ژن های Escapee اغلب با پروتئین های CTCF محدود می شوند. CTCF می تواند به عنوان یک عایق عمل کند که به جداسازی نواحی ژنوم کمک می کند تا تنظیم ژنتیکی در یک منطقه از تنظیم در مناطق مجاور جدا باشد. در مورد فرار کروموزوم X، مولکول‌های CTCF احتمالاً آنها را از خاموش شدن ژن مجاور محافظت می‌کنند.

تیم یک بار دیگر CRISPR را اصلاح کرد، این بار به طوری که CTCF را به نقاط لنگر اطراف MECP2 اضافه کند. به جای جفت کردن CRISPR با پروتئین Cas9 به عنوان شریک ویرایش آن، آن را با پروتئین Cpf1 جفت کردند. هر پروتئین از یک توالی ژنتیکی متفاوت برای شناسایی مکان هایی که باید هدف قرار دهد استفاده می کند، که به محققان اجازه می دهد دو ابزار CRISPR را بدون تداخل با یکدیگر ترکیب کنند. ترکیبی از حذف متیلاسیون و افزودن CTCF نه تنها بیان MECP2 را به طور قابل توجهی افزایش داد، بلکه نورون ها را به اندازه طبیعی و فعالیت الکتریکی بازگرداند. نتایج نشان می دهد که این رویکرد می تواند به طور عملکردی نورون های تحت تأثیر سندرم رت را بازیابی کند.

آزمایشگاه لیو اکنون در حال آزمایش این ابزارها در مدل موش سندرم رت است تا ببیند آیا آنها می توانند رفتار طبیعی خود را بازگردانند یا خیر. محققان همچنین در حال کار بر روی چگونگی ساخت این ابزارها در انسان هستند تا روزی بتوان از آنها برای درمان بیماران استفاده کرد. در حالی که محققان بر روی پیشرفت کار خود در مورد سندرم رت تمرکز می کنند، امیدوارند که آزمایشگاه های دیگر از جعبه ابزار آنها برای مقابله با سایر بیماری های مرتبط با X استفاده کنند.

لیو می‌گوید: «توسعه ابزارهای مولکولی فانتزی می‌تواند بسیار سرگرم‌کننده باشد، اما این تحقیق زمانی معنادارتر می‌شود که بفهمید چگونه آن ابزارها را در زمینه‌های بیماری به کار ببرید، به روش‌هایی که می‌تواند تأثیر مثبتی بر جامعه بگذارد. این چیزی است که رودولف می‌گوید. زمانی که در آزمایشگاه او تمرین کردم، تاکید کرد و هر روز به من انگیزه می دهد.”