مزایای ویرایش ژنوم و خطرات آن

قبل از صحبت مزایای ویرایش ژنوم و خطرات آن درمورد فناوری‌های ویرایش ژنوم که ویرایش ژن نیز نامیده می‌شود، دانشمندان را قادر می‌سازند تا تغییراتی در DNA ایجاد کنند که منجر به تغییراتی در ویژگی‌های فیزیکی مانند رنگ چشم و یا تغییر احتمال ابتلا به بیماری شده که برای این‌ کار از فناوری‌های مختلفی استفاده می‌شود. این فناوری‌ها مانند قیچی عمل می‌کنند و DNA را در یک نقطه خاص برش می‌دهند. سپس می‌توان DNA را از جایی که بریده شده‌است حذف، اضافه یا جایگزین کرد. ابزارهای مختلفی را برای این کار می‌توان استفاده کرد که شامل استفاده از مگانوکلئازها مانند zinc finger nucleases” (ZFNs)”، نوکلئازهای موثر مانند فعال‌کننده رونویسی (TALENs) و به‌تازگی سیستم “CRISPR/Cas9” می‌شوند.

اولین فناوری‌های ویرایش ژنوم در اواخر دهه 1900 توسعه یافت. به‌تازگی، یک ابزار جدید ویرایش ژنوم به نام CRISPR که در سال 2009 اختراع شد، ویرایش DNA را آسان‌تر از همیشه کرده‌است. CRISPR-Cas9 ساده‌تر، سریع‌تر، ارزان‌تر و دقیق‌تر از روش‌های قدیمی‌ ویرایش ژنوم است. بسیاری از دانشمندانی که ویرایش ژنوم را انجام می‌دهند، اکنون از CRISPR استفاده می‌کنند.

همچنین بخوانید: استفاده از کریسپر در تشخیص بیماری

سازوکار CRISPR

CRISPR از یک سیستم ویرایش ژنوم طبیعی برگرفته شده‌است که باکتری‌ها از آن به‌عنوان دفاع ایمنی استفاده می‌کنند. هنگامی که باکتری‌ها با ویروس‌ها آلوده می‌شوند، قطعات کوچکی از DNA ویروس‌ را می‌گیرند و آن‌ها را با الگوی خاصی در DNA خود وارد می‌کنند تا بخش‌هایی به نام “arrays CRISPR” ایجاد کنند. این بخش‌ها به باکتری این امکان را می‌دهد که ویروس‌ را به خاطر بسپارد. اگر آن ویروس‌ دوباره حمله کند، باکتری‌ RNAهایی را از arrays CRISPR تولید می‌کند که RNAها مناطق خاصی از DNA ویروس‌ را شناسایی کرده و به آن متصل می‌شوند. سپس باکتری از یک آنزیم مثل Cas9  یا آنزیم‌های مشابه برای جداکردن DNA ویروس استفاده می‌کند و ویروس را از کار می‌اندازد.

محققان این سیستم دفاعی ایمنی را برای ویرایش DNA تطبیق دادند. آن‌ها یک قطعه کوچک از RNA را با یک توالی راهنما کوتاه ایجاد می‌کنند که به یک توالی هدف خاص در DNA سلول موردنظر متصل می‌شود (مثلاً مانند بخش‌های RNA که باکتری‌ها از CRISPR arrays تولید می‌کنند). این RNA راهنما به آنزیم Cas9 نیز متصل می‌شود. هنگامی‌که RNA راهنما به سلول مورد نظر وارد می‌شود، توالی DNA مورد نظر را تشخیص می‌دهد و آنزیم DNA Cas9 را در محل مورد نظر برش می‌دهد. اگرچه Cas9 آنزیمی است که بیشتر استفاده می‌شود اما آنزیم‌های دیگر نیز می‌توانند استفاده شوند. هنگامی‌که DNA بریده شد، محققان از ماشین‌آلات ترمیم DNA سلول برای افزودن یا حذف قطعاتی از مواد ژنتیکی یا ایجاد تغییراتی در DNA با جایگزینی یک بخش موجود با یک توالی DNA دیگر استفاده می‌کنند.

همچنین بخوانید: سمپوزیوم کریسپر

کاربردهای ویرایش ژنوم

برخی مزایای ویرایش ژنوم در پیشگیری و درمان بیماری‌های انسانی است که بسیار مورد توجه است. در حال‌حاضر، ویرایش ژنوم در سلول‌ها و مدل‌های حیوانی در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی برای درک بیماری‌ها استفاده می‌شود.

تحقیقات و آزمایشات بالینی برای طیف گسترده‌ای از بیماری‌ها، از جمله اختلالات تک‌ژنی مانند فیبروز کیستیک، هموفیلی و بیماری سلول داسی‌شکل صورت گرفته است. همچنین این تحقیقات نویدبخش درمان و پیشگیری از بیماری‌های پیچیده‌تر مانند سرطان، بیماری قلبی، بیماری‌های روانی و عفونت ویروس نقص ایمنی انسانی (HIV) است که اشاره به مزایای ویرایش ژنوم با استفاده از ابزارهای مربوطه دارد.

برای مثال، آزمایشگاه “Burgess” در حال مطالعه ژنوم گورخرماهی است. دانشمندان در این آزمایشگاه با استفاده از CRISPR ژن‌های مختلف را در گورخرماهی یکی یکی حذف می‌کنند تا ببینند این حذف چگونه بر ماهی تأثیر می‌گذارد. آزمایشگاه Burgess روی 50 ژن گورخرماهی متمرکز شده‌است که مشابه ژن‌هایی است که باعث ناشنوایی انسان می‌شود تا آن‌ها بتوانند اساس ژنومی ناشنوایی را بهتر درک کنند.

پیشگیری و درمان بیماری‌ها در انسان با استفاده از ابزارهای ویرایش ژنوم که این پتانسیل را دارند که به درمان بیماری‌هایی با پایه ژنومی مانند فیبروز کیستیک و دیابت کمک کنند، از جمله مزایای ویرایش ژنومی‌اند.

 دو دسته مختلف از ژن درمانی وجود دارد:

1. “Germline therapies“

درمان‌های ژرملاین، DNA را در سلول‌های تولیدمثلی (مانند اسپرم و تخمک) تغییر می‌دهند. تغییرات در DNA سلول‌های تولیدمثلی‌ از نسلی به نسل دیگر منتقل می‌شود.

این روش می‌تواند باعث بروز نقص ژنی که از عواقب ویرایش ژن است، شود.

2. “Somatic therapies”

درمان‌های سوماتیک، سلول‌های غیرتولیدمثلی را هدف قرار می‌دهند و تغییرات ایجاد شده در این سلول‌ها تنها روی فردی که ژن‌درمانی را دریافت می‌کند، تأثیر می‌گذارد.

برای دستیابی میزان کارآمدبودن ویرایش ژنوم به‌طورجداگانه به مزایای ویرایش ژنوم می‌پردازیم:

مزایای ویرایش ژنوم

1. مقابله و شکست‌دادن بیماری‌ها

برخی از کشنده‌‌ترین و سخت‌ترین بیماری‌های جهان که در برابر تخریب مقاومت می‌کنند، می‌توان با استفاده از ویرایش ژن در مهندسی ژنتیک از بین بروند که این ویژگی از مهم‌ترین مزایای ویرایش ژنوم محسوب می‌شود.

برخی جهش‌های ژنتیکی وجود دارند که انسان می‌تواند از آن‌ها رنج ببرد که احتمالاً این جهش‌ها هرگز پایان نخواهند یافت مگر اینکه نسل بعدی را مهندسی ژنتیک کنیم تا در برابر این مشکلات مقاومت کنند.

به‌عنوان مثال، فیبروز کیستیک، یک بیماری پیش‌رونده و خطرناک که هیچ درمان شناخته‌شده‌ای برای آن وجود ندارد، می‌تواند با کمک ویرایش ژن انتخابی به‌طور کامل درمان شود.

2. رهایی از بیماری‌ها قبل از تولد

از دیگر مزایای ویرایش ژنوم می‌توان تشخیص بیماری‌هایی ازجمله کم‌خونی داسی‌شکل یا سندرم داون کودک متولد نشده در رحم مادر توسط پیشگیری از آن را ذکر کرد. به این صورت که پزشکان با بررسی ژنوم جنین می‌توانند از تولد کودک ناقص جلوگیری نموده و همچنین قبل از لقاح و ایجاد سلول تخم به ویرایش ژن اسپرم یا تخمک بپردازند.

3. پتانسیل زندگی طولانی‌تر

طول عمر ما انسان‌ها در طی چندین سال در مدت زمان بسیار به‌دلیل پیشرفت‌های علم پزشکی مدرن و مهندسی ژنتیک افزایش یافته‌است. به کمک این مورد از مزایای ویرایش ژنوم می‌توان برخی از اساسی‌ترین دلایل زوال طبیعی بدن را در سطح سلولی معکوس کرد و هم طول عمر و هم کیفیت زندگی خود را به شدت بهبود بخشید. همچنین می‌تواند به انسان کمک کند تا با مشکلات روبه‌رشد، به‌عنوان مثال، گرمایش جهانی در جهان سازگار شود. اگر مکان‌هایی که در آن زندگی می‌کنیم بسیار گرم‌تر یا سردتر شوند، نیاز به تطبیق داریم، اما تکامل هزاران سال طول می‌کشد، بنابراین مهندسی ژنتیک می‌تواند به ما کمک کند سریع‌تر و بهتر سازگار شویم.

4. تولید غذاهای جدید

مزایای ویرایش ژن فقط برای ژن‌های انسان‌ کاربرد ندارد. با ویرایش ژن، می‌توان غذاهایی طراحی کرد که بتوانند بهتر و بیشتر در برابر دماهای سخت مثلاً خیلی گرم یا خیلی سرد مقاومت کنند و یا اینکه می‌توان غذاهایی مملو از مواد مغذی‌ای که انسان و حیوان برای زنده ماندن به آن نیاز دارند، تولید کرد.

5. ارگانیسم‌ها را می‌توان تخصصی ایجاد کرد

با این دسته از مزایای ویرایش ژنوم می‌توان تغییراتی را در موجودات ایجاد کرد تا ویژگی‌های مطلوبی را به‌دست آورند.

مثلا با جایگزینی ژن معیوب با یک ژن دیگر در حشرات ناقل بیماری، مانند پشه‌ها، می‌توان حشرات عقیم ایجاد کرد تا از گسترش بیماری‌ها، به ویژه تب مالاریا و تب دنگی جلوگیری شود. همچنین می‌توان ژن‌ها را در درختان دستکاری کرد که CO₂ بیشتری جذب کنند و تهدید گرمایش جهانی را کاهش ‌دهند.

6. رشد سریع‌تر در حیوانات و گیاهان

افزایش سرعت رشد در حیوانات و گیاهان که از مزایای ویرایش ژنوم است را می‌توان با دستکاری ژنتیکی در آن‌ها تغییر داد، تا به‌سرعت بالغ شوند. محصولات را می‌توان طوری مهندسی کرد که در شرایط نامساعد مانند گرمای زیاد یا نور کم زنده بمانند.

در صورت بهبود تولید می‌توان حیوانات را نیز اصلاح ژنتیکی کرد. گاوهای شیری را می‌توان طوری مهندسی کرد که شیر بیشتری بدهند و پشم را سریع‌تر در گوسفند رشد دهد. حیواناتی که برای گوشت آن‌ها پرورش داده می‌شوند را می‌توان طوری مهندسی کرد که بزرگ‌تر و سریع‌تر رشد کنند.

7. مقاومت گیاهان در برابر آفات و بیماری‌ها

گیاهانی که در حال کشت هستند، می‌توانند دارای مواد دفع آفات داخلی باشند که به کاهش نیاز به مواد شیمیایی مضر و سایر آفت‌کش‌هایی که به منبع آب آسیب می‌رسانند، کمک کند. این مورد از مزایای ویرایش ژنوم با اعمال تغییراتی در ژنوم گیاه امکان‌پذیر است.

عواقب ویرایش ژنوم

1. ممکن است منجربه نقص ژنتیکی شود

یکی از مشکلات و عواقب ویرایش ژن سوال در مورد ایمنی ایجاد تغییرات در سطح سلولی است. دانشمندان هنوز کاملاً همه چیز را در مورد نحوه عملکرد بدن انسان نمی‌دانند پس آن‌ها چگونه می‌توانند پیامدهای تغییرات جزئی ایجاد شده در کوچکترین سطح را درک کنند؟

برای مثال، CRISPR علاوه‌بر همه کارایی‌هایش، خطرات ایمنی خود را دارد. اغلب ذکر شده این است که آنزیم Cas9  که CRISPR از آن برای جداکردن DNA در یک مکان خاص استفاده می‌کند نیز می‌تواند در جایی که در نظر گرفته نشده‌است، بریدگی ایجاد کند و به‌طور بالقوه باعث سرطان شود.

2. تنوع ژنتیکی را محدود می‌کند

ما در همه گونه‌های جانوری به تنوع نیاز داریم. گونه‌های دستکاری‌شده ژنتیکی که در حیات وحش وارد می‌شوند، می‌توانند تأثیر منفی بر گونه‌های اهلی داشته باشند. ازآن‌جایی‌که گونه‌های اصلاحشده قوی‌تر می‌شوند، ورود گونه‌های اصلاح شده ممکن است باعث ناپدیدشدن سریع گونه‌های اصلاح نشده شود که این باعث کاهش تنوع می‌شود که این رخداد از عواقب ویرایش ژن محسوب می‌شود.

3. پاتوژن‌های خطرناک

از عواقب ویرایش ژن می‌توان به مقاوم‌شدن ویروس‌ها و باکتری‌ها اشاره کرد که می‌تواند روی گیاهان یا حیوانات غیر‌دستکاری‌شده ژنتیکی تأثیر منفی بگذارند.

4. عوارض جانبی منفی

ویرایش ژن با انتقال ژن‌هایی به ارگانیسم کمک می‌کند تا مشکل را حل کند. گاهی اوقات، این می‌تواند عوارض جانبی ایجاد کند. به‌عنوان مثال، یک گیاه را می‌توان طوری تغییر داد که به آب کمتری نیاز دارد، اما این‌گونه عواقب ویرایش ژن می‌تواند تحمل گیاه نسبت به نور مستقیم خورشید کاهش دهند.

5. آیا کار درست و اخلاقی است؟

نگرانی‌های اخلاقی زمانی به وجود می‌آیند که ویرایش ژنوم با استفاده از فناوری‌هایی مانند CRISPR-Cas9 برای تغییر ژنوم انسان استفاده می‌شود. بیشتر تغییرات ایجاد شده با ویرایش ژنوم محدود به سلول‌های سوماتیک است که سلول‌هایی غیر از سلول‌های تخمک و اسپرم (سلول‌های ژرملاین) هستند. این تغییرات تنها به بافت‌های خاصی محدود می‌شوند و از نسلی به نسل دیگر منتقل نمی‌شوند. با این حال، تغییراتی که در ژن‌های سلول‌های تخمک یا اسپرم یا ژن‌های یک جنین ایجاد می‌شود، می‌تواند به نسل‌های آینده منتقل شود.

از جمله چالش‌ها این است که آیا استفاده از این فناوری برای تقویت ویژگی‌های طبیعی انسان (مانند قد یا هوش) مجاز است یا خیر. براساس نگرانی‌های مربوط به اخلاق و ایمنی، ویرایش ژنوم سلول‌های ژرمین و جنین در حال حاضر در ایالات متحده و بسیاری از کشورهای دیگر غیرقانونی است.

جمع‌بندی

ویرایش ژنوم و ابزارهای مربوط به آن ازجمله فن‌آوری‌های جدید علوم پایه هستند که در حال پیشرفت و تکمیل اطلاعات کاربردی از قبیل درمان بیماری‌ها، جلوگیری از بروز بیماری، افزایش تولید محصولات زراعی یا افزایش مقاومت محصولات زراعی به عوامل تهدیدکننده حیات و بسیاری دیگر از مواردی که پیش‌تر ذکر شده‌‌است. از‌آن‌جایی‌که این شاخه از علوم پایه ژنتیک جدید و نوظهور است انتظار می‌رود در آینده شاهد پیشرفت‌های گسترده‌ای در زمینه‌های مختلف این بخش باشیم. اما نباید فراموش کرد که باوجود هر مقدار از پیشرفت، در کنار مزایای ویرایش ژنوم عواقب ویرایش را نیز باید به‌طور کامل در نظر گرفت.

نویسنده: مروا مهدیزاده

منابع

genome

medlineplus

conserve-energy-future

تهیـه‌شـده در آکـــادمـی ژنـــتیـــک ایــران