معلومة

هل يمكن لـ CRISPR أيضًا إزالة فيروسات الحمض النووي؟


إذا لم أكن مخطئًا ، فإن فيروسات RNA فقط تدخل نفسها في جينوم المضيف. كمثال على فيروسات الحمض النووي ، فيروسات الهربس على سبيل المثال لا تدخل نفسها في جينوم المضيف.

هل يمكن لـ CRISPR قطع الحمض النووي غير الموجود في الكروموسوم ، مثل فيروس الحمض النووي؟


نعم ، يجب أن يعمل هذا من حيث المبدأ ، وقد أظهر عدد من المجموعات أنه يعمل في الخلايا المستنبتة:

وجدنا أن CRISPR / Cas9 أدخلت طفرات InDel في exon 2 من جين ICP0 ، مما قلل بشكل كبير من عدوى HSV-1 في نماذج زراعة الخلايا البشرية المتساهلة والخلايا المتساهلة المحمية ضد عدوى HSV-1 ... العلاج المشترك للخلايا باستخدام CRISPR الذي يستهدف ICP0 بالإضافة إلى العلاج الفوري المبكر البروتينات الفيروسية ، ICP4 أو ICP27 ، أبطلت تمامًا عدوى HSV-1. نستنتج أنه يمكن استخدام CRISPR / Cas9 الموجه من الحمض النووي الريبي لتطوير منصة علاجية وقائية جديدة ومحددة وفعالة لاستئصال الجينوم الفيروسي المستهدف لعلاج أمراض HSV-1.

- تثبيط النسخ المتماثل HSV-1 باستراتيجية تحرير الجينات

كانت هناك أيضًا تجربة واحدة على الأقل في نموذج حيواني:

باستخدام نموذج ماوس الثبات الهيدروديناميكي- HBV ، أظهرنا كذلك أن هذا النظام يمكن أن يشق البلازميد المحتوي على جينوم HBV داخل الكبد ويسهل إزالته في الجسم الحي ، مما يؤدي إلى تقليل مستويات مستضد سطح المصل. تشير هذه البيانات إلى أن نظام CRISPR / Cas9 يمكن أن يعطل القوالب المعبرة عن HBV سواء في المختبر أو في الجسم الحي ، مما يشير إلى قدرته في القضاء على عدوى فيروس التهاب الكبد B المستمرة.

- يسهل نظام CRISPR / Cas9 إزالة قوالب التهاب الكبد B داخل الكبد في الجسم الحي


هل يمكن استخدام أدوات تحرير الجينات مثل كريسبر كسلاح بيولوجي؟

تلقى جيمس ريفيل تمويلًا من مجلس البحوث الاقتصادية والاجتماعية (ESRC) لعمله في الإدارة الاستراتيجية للعلوم والتكنولوجيا (ES / K011324 / 1) ومراجعات العلوم والتكنولوجيا بموجب اتفاقية الأسلحة البيولوجية (RES-062-23-1192) )

شركاء

تتلقى The Conversation UK التمويل من هذه المنظمات

أصبحت تقنية تحرير الجينات CRISPR في دائرة الضوء بعد أن أفاد العلماء أنهم استخدموها لإزالة الأمراض بأمان في الأجنة البشرية لأول مرة. يأتي هذا بعد "جنون كريسبر" على مدى العامين الماضيين ، مع تزايد عدد المنشورات الأكاديمية حول هذا الموضوع بشكل مطرد.

هناك أسباب وجيهة وراء الاهتمام الواسع بكريسبر. تسمح هذه التقنية للعلماء "بقص ولصق" الحمض النووي بسهولة أكبر مما كانت عليه في الماضي. يتم تطبيقه على عدد من المناطق الهادئة المختلفة ، بدءًا من علاجات السرطان إلى مكافحة الحشرات الحاملة للأمراض.

بعض هذه التطبيقات - مثل هندسة البعوض لمقاومة الطفيلي المسبب للملاريا - تنطوي بشكل فعال على العبث بالنظم البيئية. لذلك ولّدت تقنية CRISPR عددًا من المخاوف الأخلاقية والمتعلقة بالسلامة. كما يشعر البعض بالقلق من أن التطبيقات التي تستكشفها المنظمات الدفاعية والتي تتضمن "الابتكار المسؤول في تحرير الجينات" قد ترسل إشارات مقلقة إلى دول أخرى.

تتزايد المخاوف أيضًا من إمكانية استخدام تحرير الجينات في تطوير أسلحة بيولوجية. في عام 2016 ، أشار بيل جيتس إلى أن "الوباء القادم يمكن أن ينشأ على شاشة الكمبيوتر لإرهابي ينوي استخدام الهندسة الوراثية لإنشاء نسخة اصطناعية من فيروس الجدري". في الآونة الأخيرة ، في يوليو 2017 ، صرح جون سوتو ، من Intel Health & amp Life Sciences ، أن أبحاث تحرير الجينات يمكن أن "تفتح إمكانات لأسلحة بيولوجية ذات إمكانات مدمرة لا يمكن تصورها".

جادل تقرير تقييم التهديد العالمي السنوي لمجتمع الاستخبارات الأمريكية في فبراير 2016 أن التوافر الواسع والتكلفة المنخفضة للمكونات الأساسية لتقنيات مثل كريسبر تجعل الأمر مقلقًا بشكل خاص.

فيروس الجدري. CDC / فريد مورفي

ومع ذلك ، يجب أن يكون المرء حذرًا مع الضجيج المحيط بالتقنيات الجديدة ، وفي الوقت الحالي ، من المحتمل أن تكون الآثار الأمنية لـ CRISPR متواضعة. هناك طرق أسهل وأكثر فجاجة لخلق الإرهاب. لن تحصل تقنية كريسبر إلا على إرهابيين بيولوجيين طموحين حتى الآن. عادة ما تكون هناك حاجة إلى خطوات أخرى ، مثل زراعة عوامل الأسلحة البيولوجية ونشرها ، حتى تصبح سلاحًا فعالاً. سيتطلب ذلك مهارات إضافية ويضع الأسلحة البيولوجية القائمة على كريسبر بعيدًا عن متناول معظم الجماعات الإرهابية. على الأقل في الوقت الراهن.

هذا لا يعني أنه يمكن تجاهل الاستغلال العدائي لـ CRISPR من قبل الجهات الفاعلة غير الحكومية. ولا يمكن لأحد أن يتجاهل الدور المحتمل لـ CRISPR في أي برنامج أسلحة بيولوجية للدولة في المستقبل.


استخدم العلماء كريسبر لتعديل الفيروسات الشبيهة بفيروس نقص المناعة البشرية في الحمض النووي للقرد

استخدم العلماء تحرير الجينات Crispr لإزالة فيروس شبيه بفيروس نقص المناعة البشرية من الحمض النووي للقرد ، وهي خطوة رئيسية نحو علاج عدوى فيروس نقص المناعة البشرية لدى البشر.

في دراسة قادها عالم الفيروسات العصبية كامل خليلي من جامعة تمبل في فيلادلفيا ، قام الباحثون ببناء فيروس غدي معدل يحتوي على نظام تحرير جيني Crispr-Cas9. ثم تم حقن هذا "البناء" (المسمى "AAV9-CRISPR-Cas9") في قرود المكاك ريسوس لتوصيل نظام Crispr إلى الخلايا.

أصيبت خلايا القرد بـ SIV (فيروس نقص المناعة القردي) ، وهو قريب من فيروس نقص المناعة البشرية (فيروس نقص المناعة البشرية). كلاهما من الفيروسات القهقرية - طفيليات فيروسية تقطع وتلصق مادتها الجينية في الحمض النووي للمضيف. يصيب فيروس SIV قرود المكاك وغيرها من الرئيسيات غير البشرية بنفس الطريقة التي يصيب بها فيروس نقص المناعة البشرية البشر ، مما يجعله نموذجًا جيدًا لدراسة العدوى الفيروسية - واختبار كيفية إزالة تلك الفيروسات من الجينوم البشري.

تم تصميم بنية تحرير الجينات لاستهداف مواقع محددة حيث تم دمج الفيروسات القهقرية في جينوم المكاك. كانت قادرة على الوصول إلى الأنسجة حيث يمكن أن تختبئ فيروسات مثل فيروس نقص المناعة البشرية وفيروس نقص المناعة البشرية لسنوات دون اكتشافها ، والمعروفة باسم الخزانات ، مثل نخاع العظام والعقد الليمفاوية والخلايا التائية للجهاز المناعي والدماغ. وفقًا للدراسة ، كان التركيب دقيقًا ولديه مخاطر منخفضة في قطع الأماكن الخطأ في الحمض النووي (المواقع "غير المستهدفة").

البحث له آثار واضحة على الوقاية من الإيدز أو علاجه (متلازمة نقص المناعة المكتسب) في البشر عن طريق علاج مريض من عدوى فيروس نقص المناعة البشرية.


هل يمكن استخدام كريسبر كسلاح بيولوجي؟

ممارسة الإرهاب البيولوجي. حقوق الصورة: Oregon National Guard / Flickr، CC BY-SA

أصبحت تقنية تحرير الجينات CRISPR في دائرة الضوء بعد أن أفاد العلماء أنهم استخدموها لإزالة الأمراض بأمان في الأجنة البشرية لأول مرة. يأتي هذا بعد "جنون كريسبر" على مدى العامين الماضيين ، مع تزايد عدد المنشورات الأكاديمية حول هذا الموضوع بشكل مطرد.

هناك أسباب وجيهة وراء الاهتمام الواسع بكريسبر. تسمح هذه التقنية للعلماء "بقص ولصق" الحمض النووي بسهولة أكبر مما كانت عليه في الماضي. يتم تطبيقه على عدد من المناطق الهادئة المختلفة ، بدءًا من علاجات السرطان إلى مكافحة الحشرات الحاملة للأمراض.

بعض هذه التطبيقات - مثل هندسة البعوض لمقاومة الطفيلي المسبب للملاريا - تنطوي بشكل فعال على العبث بالنظم البيئية. لذلك ولّدت تقنية CRISPR عددًا من المخاوف الأخلاقية والمتعلقة بالسلامة. كما يشعر البعض بالقلق من أن التطبيقات التي تستكشفها المنظمات الدفاعية والتي تتضمن "الابتكار المسؤول في تحرير الجينات" قد ترسل إشارات مقلقة إلى دول أخرى.

تتزايد المخاوف أيضًا من إمكانية استخدام تحرير الجينات في تطوير أسلحة بيولوجية. في عام 2016 ، أشار بيل جيتس إلى أن "الوباء القادم يمكن أن ينشأ على شاشة الكمبيوتر لإرهابي ينوي استخدام الهندسة الوراثية لإنشاء نسخة اصطناعية من فيروس الجدري". في الآونة الأخيرة ، في يوليو 2017 ، صرح جون سوتو ، من Intel Health & Life Sciences ، أن أبحاث تحرير الجينات يمكن أن "تفتح إمكانات لأسلحة بيولوجية ذات إمكانات مدمرة لا يمكن تصورها".

جادل تقرير تقييم التهديد العالمي السنوي لمجتمع الاستخبارات الأمريكية في فبراير 2016 أن التوافر الواسع والتكلفة المنخفضة للمكونات الأساسية لتقنيات مثل كريسبر تجعل الأمر مقلقًا بشكل خاص.

ومع ذلك ، يجب أن يكون المرء حذرًا مع الضجيج المحيط بالتقنيات الجديدة ، وفي الوقت الحالي ، من المحتمل أن تكون الآثار الأمنية لـ CRISPR متواضعة. هناك طرق أسهل وأكثر فجاجة لخلق الإرهاب. لن تحصل تقنية كريسبر إلا على إرهابيين بيولوجيين طموحين حتى الآن. عادة ما تكون هناك حاجة إلى خطوات أخرى ، مثل زراعة عوامل الأسلحة البيولوجية ونشرها ، حتى تصبح سلاحًا فعالاً. سيتطلب ذلك مهارات إضافية ويضع الأسلحة البيولوجية القائمة على كريسبر بعيدًا عن متناول معظم الجماعات الإرهابية. على الأقل في الوقت الراهن.

هذا لا يعني أنه يمكن تجاهل الاستغلال العدائي لـ CRISPR من قبل الجهات الفاعلة غير الحكومية. ولا يمكن لأحد أن يتجاهل الدور المحتمل لـ CRISPR في أي برنامج أسلحة بيولوجية للدولة في المستقبل.

الجهود الدولية

لحسن الحظ ، فإن معظم الدول في جميع أنحاء العالم تنظر إلى الحرب البيولوجية بشعور من الاشمئزاز. توجد بالفعل تدابير قائمة لحظر ومنع تطوير الأسلحة البيولوجية. على المستوى الدولي ، يشمل ذلك اتفاقية الأسلحة البيولوجية والتكسينية. بموجب هذه الاتفاقية ، وافقت الدول "على الإطلاق تحت أي ظرف من الظروف على امتلاك أسلحة بيولوجية أو الاحتفاظ بها".

هذه الاتفاقية غير كاملة وتفتقر إلى طريقة لضمان امتثال الدول. علاوة على ذلك ، لم "تميل" الدول الأعضاء بها بشكل كاف مؤخرًا ، حيث لم يتمكن الاجتماع الرئيسي الأخير من الاتفاق على برنامج عمل آخر. ومع ذلك فهو يظل حجر الزاوية لنظام دولي ضد الاستخدام العدائي للبيولوجيا. أعلنت جميع الدول الأطراف البالغ عددها 178 دولة في ديسمبر / كانون الأول 2016 عزمها المستمر على "استبعاد إمكانية استخدام الأسلحة (البيولوجية) بالكامل ، وقناعها بأن مثل هذا الاستخدام سيكون بغيضًا لضمير البشرية".

لذلك تحتاج هذه الدول إلى معالجة الإمكانات العدائية لـ CRISPR. علاوة على ذلك ، يجب عليهم القيام بذلك بشكل جماعي. التدابير الوطنية الأحادية الجانب ، مثل إجراءات الأمن البيولوجي المعقولة ، مهمة. ومع ذلك ، فإن منع الاستغلال العدائي لـ CRISPR ليس شيئًا يمكن أن تحققه أي دولة بمفردها.

على هذا النحو ، عندما تجتمع الدول الأطراف في الاتفاقية في وقت لاحق من هذا العام ، سيكون من المهم الموافقة على مراجعة أكثر منهجية وانتظامًا للعلوم والتكنولوجيا. يمكن أن تساعد هذه المراجعات في تحديد وإدارة المخاطر الأمنية لتقنيات مثل CRISPR ، فضلاً عن السماح بتبادل دولي للمعلومات حول بعض الفوائد المحتملة لهذه التقنيات.

أيدت معظم الدول مبدأ المراجعات المعززة للعلوم والتكنولوجيا بموجب الاتفاقية في الاجتماع الرئيسي الأخير. لكنهم الآن بحاجة إلى اغتنام الفرصة والاتفاق على الجوانب العملية لمثل هذه المراجعات من أجل الحيلولة دون تخلف الاتفاقية عن الركب بسبب التطورات في العلوم والتكنولوجيا.

الحرب البيولوجية ليست نتيجة حتمية للتقدم في علوم الحياة. يتطلب تطوير واستخدام هذه الأسلحة وكالة. إنه يتطلب من الدول التي تتخذ القرار بتوجيه اتجاه البحث والتطوير في علوم الحياة بعيدًا عن الأغراض العدائية. لا يمكن لاتفاقية غير كاملة أن تضمن أن هذه الدول ستقرر دائمًا ضد الاستغلال العدائي للبيولوجيا. ومع ذلك ، يمكنها التأثير على مثل هذه القرارات من خلال تشكيل بيئة تفوق فيها مساوئ السعي وراء مثل هذه الأسلحة المزايا.

تم نشر هذه المقالة في الأصل على The Conversation. اقرأ المقال الأصلي.


طريقة وراثية جديدة لاستخدام كريسبر للتخلص من جينومات فيروس COVID-19 في الخلايا

من المتوقع أن يستغرق تطوير لقاح آمن وفعال للوقاية من COVID-19 من 12 إلى 18 شهرًا ، وفي ذلك الوقت قد يكون مئات الآلاف إلى ملايين الأشخاص قد أصيبوا بالعدوى. مع تزايد عدد الحالات والوفيات في جميع أنحاء العالم بسرعة ، يتطلب هذا التهديد الناشئ وسيلة حماية ذكية وموجهة.

هل يمكن أن تكون كريسبر هي القاتل التالي للفيروسات؟

لمواجهة هذا التحدي الوبائي العالمي ، نقوم بتطوير لقاح جيني يمكن استخدامه بسرعة في الصحة والمرضى للحد بشكل كبير من انتشار فيروس كورونا. لقد طورنا نظام كريسبر آمنًا وفعالًا لاستهداف فيروس COVID-19 وجينومه وقصهما وتدميرهما بدقة ، مما يمنع الفيروس التاجي من إصابة الرئة البشرية.

لقد أظهرنا أن نظام كريسبر يمكنه تقليل 90٪ من حمل الفيروس التاجي في الخلايا البشرية. يمكنه أيضًا حماية البشر بشكل أساسي من 90٪ من جميع فيروسات كورونا الحالية والناشئة. المشروع مستمر ، ونحن نعمل على مدار الساعة من أجل الحصول على منتج حقيقي من خلال دمج طريقة CRISPR الخاصة بنا مع جهاز توصيل يعتمد على أجهزة الاستنشاق.

من المرجح أن ينتج عن المشروع علاجات محتملة تجاه COVID-19 ، والتي يمكن أن تساعد في إبطاء أو القضاء على تفشي المرض.


قد تساعد تقنية كريسبر علماء الأعصاب في اكتشاف جينات الأمراض النفسية

يعد الدماغ أحد أكثر الكيانات تعقيدًا في علم الأحياء. منذ آلاف السنين ، تساءل البشر عن كيفية عمل الدماغ البشري ، ولكن في السنوات القليلة الماضية فقط تطورت التكنولوجيا حتى يتمكن العلماء بالفعل من الإجابة على بعض الأسئلة العديدة التي لدينا. ما هي أسباب اضطرابات الدماغ؟ كيف تتطور أدمغتنا؟ كيف يشفى الدماغ بعد اصابة في الرأس؟ بينما لا يزال أمامنا طريق طويل لنقطعه قبل أن نتمكن من فهم الجوانب العديدة للدماغ البشري ، سمحت لنا تقنية واحدة - كريسبر - بالبدء في الإجابة على هذه الأسئلة على المستوى الجيني.

ما هي تقنية كريسبر؟

تعد تقنية CRISPR ، التي تعني التكرارات المتناظرة القصيرة المتباعدة بشكل منتظم متباعد المسافات ، الأحدث في سلسلة طويلة من تقنيات تحرير الجينوم. على مدى السنوات القليلة الماضية ، اجتاحت تقنية كريسبر مجتمع علم الأحياء وفي الأخبار السائدة. أصبحت التكنولوجيا ، التي يمكن استخدامها لإجراء تغييرات محددة في الحمض النووي للنباتات والحيوانات ، مفيدة لدراسة أنظمة الأمراض في المختبر بسبب انخفاض تكلفتها ودقتها وسهولة استخدامها. على عكس طرق تحرير الجينوم الأخرى ، يمكن للعلماء استخدامه لتغيير أي امتداد للحمض النووي في الجينوم ، طالما أنهم يعرفون التسلسل المطلوب استهدافه. يمكنهم إجراء تغييرات متعددة بضربة واحدة.

يتكون نظام كريسبر من جزأين: 1) بروتين مستعار من البكتيريا يقطع الحمض النوويو 2) أ دليل RNA يخبر البروتين بمكان القطع. بمجرد قطع الحمض النووي للجين المستهدف ، ستحاول الخلية إصلاح الحمض النووي ولكنها غالبًا ما ترتكب خطأ ، مما يتسبب في تعطيل الجين وعدم عمله. في بعض الأحيان ، سيقدم العلماء أيضًا مكونًا ثالثًا من النظام: أ قالب الحمض النووي يخبر الخلية كيفية إصلاح الحمض النووي المقطوع وإدخال طفرة محددة للغاية تغير الجين بطريقة ما. في كلتا الحالتين ، يمكن للعلماء استخدام كريسبر لتغيير الحمض النووي داخل الخلايا (الشكل 1). (تعرف على المزيد من التفاصيل حول تقنية CRISPR وكيفية عمل CRISPR هنا.)

الشكل 1: كيف تعمل تقنية كريسبر. يساعد الحمض النووي الريبي الإرشادي الذي يطابق تسلسل الحمض النووي الجيني ذي الأهمية في توجيه بروتين كريسبر نحو هذا الموقع في الحمض النووي. يقطع البروتين خيوط الحمض النووي. ستحاول الخلية إصلاح هذا الانقطاع ، ولكن خلال هذه العملية قد تحدث طفرات عشوائية تجعل الجين غير فعال - وبالتالي يتم إسكات الجين. ومع ذلك ، إذا قدم العلماء قالب DNA يختلف قليلاً عن تسلسل الحمض النووي الأصلي ، فيمكن للخلية استخدامه لتوجيه الإصلاح وإدخال طفرة معينة في تسلسل الجينات.

لماذا تعتبر تقنية كريسبر مهمة جدًا لعلم الأعصاب؟

تم توقيت ظهور كريسبر بشكل مثالي مع الطفرة البحثية الحديثة في علم الأعصاب. على مدى السنوات القليلة الماضية ، استخدم العلماء التسلسل الجيني للكشف عن الجينات المهمة في نمو الدماغ وفي الأمراض العصبية ، مثل مرض الزهايمر ومرض # 8217s والفصام. في حين أن بعض الاضطرابات النمائية العصبية ، مثل متلازمة X الهشة ، من المعروف أنها ناتجة عن طفرات في جين واحد ، فإن أمراض مثل الفصام تنطوي على العديد من الجينات وهي معقدة للغاية ، لذلك كان لا بد من ترتيب تسلسل آلاف الأشخاص قبل أن يتمكن العلماء من معرفة الاختلافات الجينية التي قد تكون. أن تكون مرتبطة بالمرض. اليوم ، هناك أدلة على الجينات التي قد تؤثر على عدد من الاضطرابات ، مثل الوسواس القهري والتوحد والاكتئاب الشديد. الخطوة التالية هي معرفة ما إذا كان تعطيل هذه الجينات يمكن أن يسبب أيًا من هذه الأمراض. يبدو أن كريسبر هي التقنية المثالية لتحقيق ذلك.

نظرًا لأن الدماغ هو نتاج ملايين الروابط بين الخلايا العصبية ، فمن المهم أن نرى ما تفعله هذه التغييرات الجينية في دماغ حيوان حقيقي. إذا كنا نعتقد أن طفرة معينة في جين هنتنغتين تسبب مرض هنتنغتون ، فيمكننا إدخال هذه الطفرة في جنين الفأر عبر نظام كريسبر. ستحتوي هذه الفئران وذريتهم على هذه الطفرة ويمكننا دراسة سلوكهم وتغيراتهم الجسدية ومعرفة ما إذا كان لديهم & # 8220mouse الإصدار & # 8221 من مرض هنتنغتون & # 8217. يمكن بعد ذلك إعطاء هذه الفئران أدوية محتملة لمعرفة ما إذا كانت هذه الأدوية تساعد في تخفيف الأعراض (الشكل 2).

الشكل 2: استخدام كريسبر لدراسة الأمراض العصبية في الكائنات الحية النموذجية. بمجرد العثور على ارتباط جيني محتمل بمرض عصبي مثل مرض هنتنغتون ومرض الزهايمر ومرض الزهايمر أو مرض باركنسون 8217 ، يمكن للعلماء استخدام نظام كريسبر لإدخال الطفرات الجينية ذات الصلة في الكائنات الحية النموذجية مثل الفئران. من خلال فهم الاختلافات بين الفئران المصابة بالطفرة الجينية والفئران بدونها ، يمكن للعلماء رسم صورة أوضح لكيفية تأثير المرض على جسم الإنسان. بعد ذلك ، يمكن إعطاء الفئران عقاقير أو علاجات محتملة يمكن أن تساعد في تخفيف أعراضها أو حتى المساعدة في علاج المرض.

يمكن أن تستغرق الطرق السابقة لصنع نماذج الفئران ما يصل إلى عامين من تصميم الجين المتحور إلى جولات متعددة من تكاثر الفئران للتأكد من أن نسل الفأر لديه الطفرة الجينية الصحيحة. في المقابل ، يستغرق الأمر حوالي شهرين فقط لإنشاء نموذج فأر باستخدام كريسبر لأنه يتم إدخال المكونات بسهولة أكبر في الجنين ولا يلزم اتخاذ خطوات تربية متعددة. بالإضافة إلى ذلك ، إذا كنا نعتقد أن أكثر من جين واحد يساهم في مرض مثل الفصام ، فيمكننا بسهولة إدخال طفرتين أو أكثر في جنين الفأر في نفس الوقت ببساطة عن طريق إدخال عدة RNAs (و DNA للقالب) ، وهو شيء ليس من السهل القيام به مع تقنيات تحرير الجينوم الأخرى (الشكل 3).

الشكل 3: الجدول الزمني لـ CRISPR مقارنة بتقنية تحرير الجينوم التقليدية. بالنسبة لأمراض مثل الوسواس القهري المعروف أنها ناتجة عن أكثر من طفرة جينية ، فإن صنع كائنات نموذجية ذات طفرات جينية متعددة أمر بالغ الأهمية لفهم المرض. باستخدام طرق تحرير الجينوم التقليدية ، قد يستغرق الأمر ما يصل إلى ثلاث سنوات لإنشاء نموذج فأر به طفرتان وراثيتان ، باستخدام تقنية CRISPR ، يمكن للعلماء إنشاء نموذج فأر به طفرة جينية واحدة أو اثنتين أو حتى أكثر في أقل من ستة أسابيع!

باستخدام تقنية كريسبر ، تم صنع العشرات من نماذج الفئران ونماذج حيوانية أخرى لدراسة علم الأعصاب. على سبيل المثال ، استخدم مختبر تشانغ في معهد برود في كامبريدج ، ماساتشوستس تقنية كريسبر لصنع نماذج الفئران للوسواس القهري والتوحد. الفئران ذات الطفرات الجينية المرتبطة بالوسواس القهري تعتني بنفسها أكثر ويبدو أنها قلقة بشأن نظافتها البيئية والفئران ذات الطفرات الجينية المرتبطة بالتوحد تكون عمومًا أقل اجتماعية من الفئران الأخرى. يعمل مختبر Zhang حاليًا على صنع نماذج الفئران ذات الطفرات الخاصة في جين يسمى Shank3 والتي قد تكون مهمة في كل من التوحد والفصام.

تحديات كريسبر

لا تزال كريسبر تقنية جديدة نسبيًا وهي ليست مثالية. إن الجينوم البشري كبير ، وأحيانًا ، تتشابه امتدادات الحمض النووي المتعددة بدرجة كافية بحيث يقوم نظام كريسبر بإجراء عمليات قطع غير مقصودة في الحمض النووي. بهذه الطريقة ، قد تظهر طفرات غير مقصودة قد تؤثر على صحة أو حتى بقاء الحيوان ويمكن أن تربك نتائج أي تجارب. يدرس العديد من الباحثين حاليًا طرقًا لجعل نظام كريسبر أكثر تحديدًا بحيث تتأثر الجينات التي ينوي المرء استهدافها فقط.

في الوقت الحالي ، من السهل حقن مكونات كريسبر في أجنة الفئران ، ولكن إذا أراد العلماء إدخال تقنية كريسبر في دماغ الجرذ البالغ (ربما بقصد علاجي) ، فلن يحالفهم الحظ. من الصعب جدًا جعل مكونات كريسبر تعبر الحاجز الدموي الدماغي. تم إحراز بعض التقدم من خلال تجريد مكونات كريسبر وحشوها في فيروس معدل غير مسبب للمرض يمكنه عبور الحاجز الدموي الدماغي بسهولة. فكر في هذا مثل تنظيم حقيبتك المحمولة (الفيروس) باستخدام أساسياتك فقط (مكونات CRISPR) بحيث يتم قطع الحجم في المطار. ومع ذلك ، على الرغم من أن حزمة الفيروسات ليس لها قوة مسببة للمرض ، إلا أن الآثار طويلة المدى لاستخدام مثل هذا الفيروس وتداعيات تجريد مكونات كريسبر على فعاليتها في الدماغ لا تزال قيد التحقيق.

أخيرًا ، هناك قضايا أخلاقية يجب مراعاتها عند اقتراح تقنية كريسبر كعلاج جيني للبشر أو حتى استخدام تقنية كريسبر في نماذج حيوانات الرئيسيات. بينما تُستخدم الرئيسيات في عدد من دراسات تصوير الدماغ ، لا تزال أخلاقيات التلاعب الجيني في هذه الحيوانات ، وربما في البشر ، محل نزاع حاد.

مستقبل تقنية كريسبر

حتى أثناء إجراء الأبحاث لتحسين خصوصية وكفاءة تقنية كريسبر نفسها ، يجد علماء الأعصاب طرقًا أكثر إبداعًا لاستخدام هذه التقنية ، وتطوير كائنات نموذجية لم تُستخدم سابقًا في علم الأعصاب ، مثل الحشرات الاجتماعية مثل الجراد ، والثدييات الاجتماعية الأكثر تعقيدًا مثل الخفافيش. تتسبب العديد من الاضطرابات العصبية في تصرف الناس بشكل غير عادي في المواقف الاجتماعية ، وقد تساعدنا دراسة الحيوانات الاجتماعية الأخرى في فهم سبب ذلك. يستخدم العديد من العلماء أيضًا تقنية كريسبر في الخلايا الجذعية متعددة القدرات التي يسببها الإنسان (انظر هذا الإصدار الخاص من المقالة) أو في الخلايا العصبية المشتقة من هذه الخلايا الجذعية لدراسة آثار التغيرات الجينية على الخلايا العصبية البشرية في طبق. نظرًا لأن علماء الأعصاب يصنعون المزيد من النماذج الحيوانية والخلوية باستخدام تقنية كريسبر ، سنكون قادرين على الكشف عن المزيد حول ما الذي يجعل الدماغ يعمل وكيف يتم إصلاحه في حالة تعرضه للكسر.

أنجيلا طالبة دكتوراه تدرس أمراض التنكس العصبي في جامعة هارفارد. وهي أيضًا أحد المنتجين المشاركين لبودكاست SITN ، SIT’N Listen. أعدت الأرقام شانون مكاردل. نُشر هذا المقال في الأصل كجزء من Science in the News & # 8217s April 2016 Special Edition on Neurotechnology. يمكنك متابعة Science في الأخبار على TwitterSITNBoston.


العلاج الجيني: الماضي والحاضر

تقليديا ، يستخدم العلماء الفيروسات - التي أزيلت منها الجينات المسببة للأمراض الخطيرة - كوسيلة لنقل جينات جديدة إلى أعضاء معينة. تنتج هذه الجينات بعد ذلك منتجًا يمكنه تعويض الجينات المعيبة الموروثة جينيًا. هذه هي الطريقة التي يعمل بها العلاج الجيني.

على الرغم من وجود أمثلة توضح أن العلاج الجيني كان مفيدًا في بعض الأمراض الوراثية ، إلا أنها لا تزال غير مثالية. في بعض الأحيان ، يكون الجين المعيب كبيرًا جدًا بحيث لا يمكنك ببساطة أن تلائم البديل الصحي للفيروسات المستخدمة بشكل شائع في العلاج الجيني.

مشكلة أخرى هي أنه عندما يرى الجهاز المناعي فيروسًا ، فإنه يفترض أنه عامل ممرض مسبب للمرض ويشن هجومًا لمكافحته عن طريق إنتاج الأجسام المضادة والاستجابة المناعية - تمامًا كما يحدث عندما يصاب الأشخاص بأي فيروسات معدية أخرى ، مثل السارس. -CoV-2 أو نزلات البرد.

في الآونة الأخيرة ، مع ظهور تقنية تعديل الجينات المسماة كريسبر ، يمكن للعلماء إجراء العلاج الجيني بشكل مختلف.

يمكن استخدام كريسبر بعدة طرق. في دوره الأساسي ، يعمل كجراح وراثي بمشرط حاد ، مما يمكّن العلماء من العثور على خلل جيني وتصحيحه داخل الجينوم الأصلي في الخلايا المرغوبة للكائن الحي. يمكنه أيضًا إصلاح أكثر من جين واحد في وقت واحد.

يمكن للعلماء أيضًا استخدام كريسبر لإيقاف تشغيل الجين لفترة قصيرة ثم إعادة تشغيله ، أو العكس ، دون تغيير حروف الحمض النووي التي يتكون منها أو الجينوم بشكل دائم. هذا يعني أن الباحثين مثلي يمكنهم الاستفادة من تقنية كريسبر لإحداث ثورة في العلاجات الجينية في العقود القادمة.

ولكن لاستخدام تقنية كريسبر في أي من هاتين الوظيفتين ، لا يزال يتعين تعبئته في فيروس لإدخاله إلى الجسم. لذا فإن بعض التحديات ، مثل منع الاستجابة المناعية لفيروسات العلاج الجيني ، لا تزال بحاجة إلى حل من أجل العلاجات الجينية القائمة على كريسبر.

بعد أن تدربت كعالم أحياء اصطناعي ، تعاونت مع إبراهيم خاني لاستخدام كريسبر لاختبار ما إذا كان بإمكاننا إيقاف الجين المسؤول عن الاستجابة المناعية التي تدمر فيروسات العلاج الجيني. ثم درسنا ما إذا كان خفض نشاط الجين ، وإضعاف الاستجابة المناعية ، سيسمحان لفيروسات العلاج الجيني بأن تكون أكثر فعالية.


تلتقي CRISPR بـ Pac-Man: تتيح أداة القص واللصق الجديدة للحمض النووي إمكانية إجراء تعديلات جينية أكبر

قد يتقدم تحرير الجينات لتطوير علاجات جديدة ، ودراسة الأمراض وكذلك الوظيفة الطبيعية لدى البشر والكائنات الحية الأخرى ، بشكل أسرع باستخدام أداة جديدة لقطع قطع أكبر من الحمض النووي من جينوم الخلية ، وفقًا لدراسة جديدة أجرتها علماء جامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو.

نشر دراسة UCSF في 19 أكتوبر 2020 في المجلة طرق الطبيعة يأتي بعد أقل من أسبوعين من اختيار اثنين من الباحثين الذين استخدموا المقص الجيني المعروف باسم CRISPR-Cas9 لتلقي جائزة نوبل في الكيمياء لهذا العام.

على الرغم من أنها تُستخدم الآن كأداة بحث في المختبرات حول العالم ، فقد تطورت كريسبر منذ دهور في البكتيريا كوسيلة لمحاربة أعدائها القديمة ، وهي مجموعة كاملة من الفيروسات المعروفة باسم العاثيات. عندما تواجه البكتيريا العاثية ، فإنها تدمج جزءًا من الحمض النووي الفيروسي في الحمض النووي الخاص بها ، ثم تعمل كقالب لصنع الحمض النووي الريبي الذي يرتبط بالحمض النووي الفيروسي المقابل في العاثية نفسها. تقوم إنزيمات CRISPR بعد ذلك باستهداف الملتهمة وتعطيلها وقتلها.

في أحدث أعماله لاستكشاف سباق التسلح القديم والغريب هذا ، انضم الباحث الرئيسي جوزيف بوندي دينومي ، دكتوراه ، أستاذ مشارك في قسم علم الأحياء الدقيقة والمناعة بجامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو ، إلى العلماء B & aacutelint Cs & oumlrg؟ و PhD و Lina Le & oacuten لتطوير واختبار CRISPR جديد أداة.

تشبه مجموعة CRISPR-Cas9 الشهيرة بالفعل إزميلًا جزيئيًا يمكن استخدامه لاستئصال جزء صغير من الحمض النووي بسرعة وبدقة في موقع مستهدف. يمكن بعد ذلك استخدام طرق أخرى لإدخال حمض نووي جديد. لكن نظام CRISPR-Cas3 الجديد الذي تم تكييفه من قبل علماء جامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو يستخدم نظامًا مناعيًا بكتيريًا مختلفًا. يعمل الإنزيم الرئيسي في هذا النظام ، Cas3 ، مثل آلة تقطيع الخشب الجزيئية لإزالة الامتدادات الأطول من الحمض النووي بسرعة وبدقة.

قال بوندي دينومي: "يشبه Cas3 Cas9 مع محرك - بعد العثور على هدف الحمض النووي الخاص به ، فإنه يعمل على الحمض النووي ويمضغه مثل Pac-Man".

هذه القدرة الجديدة على حذف أو استبدال الامتدادات الطويلة من الحمض النووي ستمكّن الباحثين من تقييم أهمية المناطق الجينومية التي تحتوي على تسلسلات الحمض النووي ذات الوظيفة غير المحددة بشكل أكثر كفاءة ، وفقًا لـ Bondy-Denomy ، وهو اعتبار مهم في فهم البشر ومسببات الأمراض التي تصيبهم.

وقال: "في السابق ، لم تكن هناك طريقة سهلة وموثوقة لحذف مناطق كبيرة جدًا من الحمض النووي في البكتيريا لأغراض البحث أو العلاج". "الآن ، بدلاً من إجراء 100 عملية حذف صغيرة مختلفة من الحمض النووي ، يمكننا فقط إجراء عملية حذف واحدة ونسأل ،" ما الذي تغير؟ "

نظرًا لأن البكتيريا وأنواع الخلايا الأخرى تُستخدم بشكل شائع لإنتاج جزيئات صغيرة أو مستحضرات صيدلانية قائمة على البروتين ، فإن تقنية CRISPR-Cas3 ستمكّن علماء صناعة التكنولوجيا الحيوية من إزالة الحمض النووي المحتمل أو عديم الفائدة من هذه الخلايا بسهولة أكبر ، وفقًا لـ Bondy-Denomy.

وقالت بوندي دينومي: "مساحات كبيرة من الحمض النووي البكتيري غير مفهومة بشكل جيد ، مع وظائف غير معروفة والتي في بعض الحالات ليست ضرورية للبقاء على قيد الحياة". "بالإضافة إلى ذلك ، يحتوي الحمض النووي البكتيري على امتدادات كبيرة من الحمض النووي المستورد من مصادر أخرى ، والتي يمكن أن تسبب المرض في المضيف البشري للبكتيريا ، أو تحويل عملية التمثيل الغذائي للبكتيريا."

وقالت بوندي دينومي إن تقنية CRISPR-Cas3 يجب أن تسمح أيضًا بإدخال جينات كاملة في الجينوم في تطبيقات صناعية أو زراعية أو حتى في تطبيقات العلاج الجيني البشري.

اختار باحثو UCSF وتعديل نظام CRISPR-Cas3 الذي تستخدمه بكتيريا Pseudomonas aeruginosa ، وأظهروا في هذا النوع وفي ثلاثة أنواع أخرى ، بما في ذلك البكتيريا التي تسبب المرض في البشر والنباتات ، أن نسختهم الأكثر إحكاما تعمل بشكل جيد لإزالة الحمض النووي المحدد في جميع الأنواع الأربعة. وقال بوندي دينومي إن أنظمة CRISPR-Cas3 الأخرى تم تصنيعها للعمل في الخلايا البشرية والثدييات الأخرى ، ويجب أن يكون ذلك أيضًا قابلاً للتحقيق لنظام P. aeruginosa المعدل.

يدرس Bondy-Denomy مجموعة من البكتيريا والعاثيات وأنظمة CRISPR لمعرفة المزيد حول كيفية عملها ولإيجاد أدوات جزيئية مفيدة. وقال: "إن CRISPR-Cas3 هو إلى حد بعيد أكثر أنظمة CRISPR شيوعًا في الطبيعة". "يستخدم نظام Cas3 حوالي 10 أضعاف عدد الأنواع البكتيرية التي تستخدم نظام Cas9. قد يكون Cas3 جهازًا مناعيًا بكتيريًا أفضل لأنه يمزق الحمض النووي للعاثية."

على عكس Cas9 ، عندما يرتبط Cas3 بهدفه الدقيق من الحمض النووي ، يبدأ في مضغ خيط واحد من الحمض النووي مزدوج الشريطة في كلا الاتجاهين ، تاركًا خيطًا واحدًا مكشوفًا. تراوحت عمليات الحذف التي تم الحصول عليها في تجارب UCSF من حيث الحجم ، وشملت في كثير من الحالات ما يصل إلى 100 جين بكتيري. وجد الباحثون أن آلية CRISPR-Cas3 يجب أن تسمح أيضًا باستبدال الحمض النووي المحذوف بسهولة بتسلسل DNA جديد.

من أجل حذف وتحرير الحمض النووي في المختبر ، يبرمج العلماء أنظمة كريسبر لاستهداف حمض نووي معين في جينوم الكائن الحي محل الاهتمام باستخدام أي تسلسل إرشادي يختارونه.

في دراسة CRISPR-Cas3 الجديدة ، من خلال معالجة تسلسل الحمض النووي المقدم للبكتيريا لإصلاح عمليات الحذف ، تمكن الباحثون من تعيين حدود إصلاحات الحمض النووي الكبيرة بدقة ، وهو أمر لم يتمكنوا من تحقيقه باستخدام تقنية CRISPR-Cas9.

اكتشف Bondy-Denomy سابقًا استراتيجيات مكافحة CRISPR التي تطورت العاثيات لمقاومة البكتيريا ، وقد تكون مفيدة في إيقاف تفاعلات تحرير الجينات التي تحركها إنزيمات كاس المستخدمة كعلاجات بشرية قبل ظهور الآثار الجانبية ، أو في استخدام العاثية لإزالة البكتيريا غير المرغوب فيها. التي ملأت القناة الهضمية ، قال. بصرف النظر عن الإشريكية القولونية واثنين من الأنواع الأخرى ، لا يُعرف سوى القليل نسبيًا عن 1000 نوع بكتيري أو نحو ذلك تعيش هناك بشكل طبيعي.

وقال: "لقد تُركت الميكروبات غير النموذجية إلى حد كبير في عالم الجينات ، وهناك حاجة كبيرة لأدوات جديدة لدراستها".


تتالي وكريسبر

إدخال PDB 4qyz يلتقط Cascade أثناء العمل. يشتمل الهيكل على خيط CRISPR RNA (أحمر) وقطعة قصيرة من الحمض النووي الفيروسي (أصفر) بعد أن تم فكه والتعرف عليه. كشفت البنية عن بنية مدهشة ولكنها منطقية للغاية للحمض النووي الريبي والحمض النووي. يمتد الحمض النووي الريبي (RNA) مفتوحًا في أخدود حلزوني طويل في Cascade ، ويرتبط الحمض النووي جنبًا إلى جنب ، بدلاً من الحلزون المزدوج الكلاسيكي. لاستكشاف هذا الهيكل المذهل بمزيد من التفاصيل ، انقر فوق الصورة للحصول على JSmol تفاعلي.

مواضيع لمزيد من المناقشة

  1. عند قراءة مقالات حول تسلسلات كريسبر ، احترس من بعض المصطلحات ، لأنها قد تكون مربكة. For instance, the term "spacer" is often used to refer to the short pieces of viral DNA that are stored in the CRISPR, and "repeat" is used to refer to the short repeated sequences separating each piece of viral DNA.
  2. Many of these large CRISPR/Cas complexes have been characterized by electron microscopy. For instance, to see the structure of a type III complex (which is different from type I Cascade and type II Cas9) take a look at the EMDataBank.

Related PDB-101 Resources

مراجع

  1. J. van der Oost, E. R. Westra, R. N. Jackson & B. Wiedenheft (2014) Unravelling the structural and mechanistic basis of CRISPR-Cas systems. Nature Reviews Microbiology 12, 479-492.
  2. H. Ebina, N. Misawa, Y. Kanemura & Y. Koyanagi (2013) Harnessing the CRISPR/Cas9 system to disrupt latent HIV-1 provirus. Scientific Reports 3, 2510.
  3. 4qqw: Y. Huo, K. H. Nam, F. Ding, H. Lee, L. Wu, Y. Xiao, M. D. Farchione, S. Zhou, K. Rajashankar, I. Kurinov, R. Zhang & A. Ke (2014) Structures of CRISPR Cas3 offer mechanistic insights into Cascade-activated DNA unwinding and degradation. Nature Structural & Molecular Biology 21, 771-777.
  4. 4un3: C. Anders, O. Niewoehner, A. Duerst & M. Jinek (2014) Structural basis of PAM-dependent target DNA recognition by the Cas9 endonuclease. Nature 513, 569-573.
  5. 4tvx: R. N. Jackson, S. M. Golden, P. B. G. van Erg, J. Carter, E. R. Westra, S. J. J. Brouns, J. van der Oost, T. C. Terwilliger, R. J. Read & B. Wiedenheft. (2014) Crystal structure of the CRISPR RNA-guided surveillance complex from Escherichia coli. Science 345, 1473-1479.
  6. 4qyz: S. Mulepati, A. Heroux & S. Bailey (2014) Crystal structure of a CRISPR RNA-guided surveillance complex bound to a ssFNA target. Science 345, 1479-1484.
  7. 4p6i: J. K. Nunez, P. J. Kranzusch, J. Noeske, A. V. Wright, C. W. Davies & J. A. Doudna (2014) Cas1-Cas2 complex formation mediates spacer acquisition during CRISPR-Cas adaptive immunity. Nature Structural & Molecular Biology 21, 528-534.

January 2015, David Goodsell

About PDB-101

PDB-101 helps teachers, students, and the general public explore the 3D world of proteins and nucleic acids. Learning about their diverse shapes and functions helps to understand all aspects of biomedicine and agriculture, from protein synthesis to health and disease to biological energy.

Why PDB-101? Researchers around the globe make these 3D structures freely available at the Protein Data Bank (PDB) archive. PDB-101 builds introductory materials to help beginners get started in the subject ("101", as in an entry level course) as well as resources for extended learning.


Herpes's Achilles heel

The herpes simplex virus, commonly known as the cold sore virus, is a devious microbe.

It enters the body through regions lined with mucous membranes -- mouth, nose and genitals -- but quickly establishes lifelong viral hideouts inside nerve cells. After initial infection, the virus lurks dormant only to be reawakened periodically to cause outbreaks marked by the eruption of cold sores or blisters. In a handful of people, the consequences of viral reawaking can be devastating, including blindness and brain inflammation.

Antiviral medications can prevent recurrent outbreaks, but they are not always effective, so for decades, researchers have sought a solution that would quiet the virus for good.

Now, using human fibroblast cells infected with herpes simplex virus (HSV), researchers at Harvard Medical School have successfully used CRISPR-Cas9 gene editing to disrupt not only actively replicating virus but also the far-harder to reach dormant pools of the virus, demonstrating a possible strategy for achieving permanent viral control.

The team's findings are described Dec. 2 in eLife.

"This is an exciting first step -- one that suggests it is possible to permanently silence lifelong infections -- but much more work remains to be done," said study lead investigator David Knipe, the Higgins Professor of Microbiology and Molecular Genetics in the Blavatnik Institute at Harvard Medical School.

Notably, the research represents the first successful instance of disrupting latent viral reservoirs through gene editing. Latent reservoirs are notoriously impervious to antiviral medications and have also proven hard to gene-edit.

The experiments also identify the mechanisms by which actively replicating virus becomes uniquely vulnerable to gene editing. These very mechanisms may also explain why latent forms of the virus are less amenable to this technique.

Specifically, the experiments reveal that the DNA of an actively replicating virus is more exposed to the Cas9 enzyme -- the molecular scissors in the CRISPR-Cas9 gene-editing system. This is because actively replicating viruses have fewer protective histones that wrap around their DNA to shield it.

"The absence of protective histones makes the DNA more accessible and easier to cut, so it's essentially identified HSV's Achilles heel," Knipe said.

The new findings offer a model system for using gene editing in a localized way to disrupt active replication in specific sites. However, Knipe cautions, the arch-challenge of delivering gene-editing therapy to neurons -- where the virus hides and enters a state of dormancy -- remains to be solved, Knipe added.

More than two-thirds of the world population harbors the virus according to the World Health Organization. While most infections are asymptomatic, in a handful of people HSV can cause serious damage. It can infect the eyes, a condition known as herpes keratitis, and lead to blindness. In people with compromised immune systems, HSV can cause brain inflammation. In newborns, the virus can cause disseminated, systemic disease and brain inflammation and can be fatal in a quarter of infected babies.

Thus, one early therapeutic use of this technique could involve local and limited gene-editing of the epithelial cells in the mouth, eyes or genitals of people with established HSV infections as a way to prevent the virus from causing active outbreaks at vulnerable sites, Knipe said.

"If you want to prevent corneal infections, for example, you might be able to use CRISPR-Cas9 editing in the corneal cells to prevent new infections or prevent the virus from reactivating or reduce the reactivation," Knipe said. "People who have recurrent herpes keratitis infection of the cornea start to go blind after a while because of the reactivation and the resulting inflammation that causes clouding of the cornea."

The advantage of limited, localized gene-editing is avoiding the widespread, possible off-target effects that might inadvertently alter the DNA of cells other than those intended.

"We still have a long way to go in ensuring hyperprecision and safety of new gene-editing tools so local editing could offer a safer, more limited first step," Knipe said.


شاهد الفيديو: What is the PAM? - A CRISPR Whiteboard Lesson (كانون الثاني 2022).