التحرير البشري: كيف ولماذا يقوم العلماء بإجراء عمليات الجينوم

تطبيق الهندسة الوراثية في البحث العلمي

• الضربة القاضية الجينية

لدراسة وظيفة واحد أو آخر

يمكن استخدام الضربة القاضية الجينية. هذا هو اسم تقنية إزالة جين واحد أو أكثر، مما يسمح بدراسة عواقب مثل هذه الطفرة.

بالنسبة للضربة القاضية، يتم تصنيع نفس الجين أو جزء منه، وتعديله بحيث يفقد منتج الجين وظيفته. طرق التنفيذ الرئيسية: إصبع الزنك، والمورفولينو، والتالين.

للحصول على الفئران بالضربة القاضية ، تم الحصول عليهايتم إدخال البنية المعدلة وراثيًا في الخلايا الجذعية الجنينية ، حيث يخضع البناء لإعادة التركيب الجسدي ويحل محل الجين الطبيعي ، ويتم زرع الخلايا المعدلة في الكيسة الأريمية للأم البديلة. في ذبابة الفاكهة ، تبدأ طفرات ذبابة الفاكهة في عدد كبير من السكان ، حيث يتم البحث عن نسل مع الطفرة المرغوبة. يتم التخلص من النباتات والكائنات الحية الدقيقة بطريقة مماثلة.

• التعبير الاصطناعي

الإضافة المنطقية للضربة القاضية هيالتعبير المصطنع ، أي إضافة جين إلى الجسم لم يكن موجودًا من قبل. يمكن أيضًا استخدام تقنية الهندسة الوراثية لدراسة وظيفة الجينات. في جوهرها ، فإن عملية إدخال جينات إضافية هي نفسها المستخدمة في عملية الضربة القاضية ، لكن الجينات الموجودة لا يتم استبدالها أو إتلافها.

• تصور المنتج الجيني

تستخدم عندما تكون المهمة هي الدراسةتوطين المنتج الجيني. إحدى طرق وضع العلامات هي استبدال الجين الطبيعي بآخر مدمج في عنصر مراسل، على سبيل المثال، جين البروتين الفلوري الأخضر GFP. ويستخدم هذا البروتين، الذي يتألق في الضوء الأزرق، لتصور منتج التعديل الوراثي.

في حين أن هذه التقنية مريحة ومفيدة ، إلا أن آثارها الجانبيةقد تكون العواقب هي فقدان جزئي أو كامل لوظيفة البروتين قيد الدراسة. هناك طريقة أكثر تعقيدًا ، وإن لم تكن مريحة للغاية ، وهي أن تضيف إلى البروتين قيد الدراسة ليس قليل الببتيدات الكبيرة التي يمكن اكتشافها باستخدام أجسام مضادة محددة.

• التحقيق في آلية التعبير

في مثل هذه التجارب، المهمة هي الدراسةشروط التعبير الجيني. تعتمد ميزات التعبير في المقام الأول على قطعة صغيرة من الحمض النووي تقع أمام منطقة الترميز، تسمى المحفز، والتي تعمل على ربط عوامل النسخ.

يتم إدخال هذا الموقع في الجسم عن طريق وضعه بعدبدلاً من الجين المراسل الخاص به ، على سبيل المثال ، GFP أو إنزيم يحفز تفاعل يمكن اكتشافه بسهولة. بالإضافة إلى حقيقة أن عمل المروج في أنسجة معينة في وقت أو آخر يصبح ملحوظًا بشكل واضح ، فإن مثل هذه التجارب تجعل من الممكن دراسة بنية المروج عن طريق إزالة أو إضافة أجزاء من الحمض النووي إليه ، وكذلك لتعزيزه بشكل مصطنع وظائفها.

لماذا هناك حاجة للهندسة الوراثية البشرية؟

عند تطبيقها على البشر ، يمكن للهندسة الوراثيةتستخدم لعلاج الأمراض الوراثية. ومع ذلك ، من الناحية الفنية ، هناك فرق كبير بين علاج المريض نفسه وتعديل جينوم نسله.

مهمة تغيير الجينوم البالغإنه أكثر تعقيدًا إلى حد ما من تربية سلالات حيوانات جديدة معدلة وراثيًا، لأنه في هذه الحالة من الضروري تغيير جينوم العديد من الخلايا لكائن تم تكوينه بالفعل، وليس مجرد بيضة جنينية واحدة. للقيام بذلك، يقترح استخدام الجزيئات الفيروسية كمتجه.

الجسيمات الفيروسية قادرة على اختراقنسبة كبيرة من الخلايا البالغة، تدمج معلوماتها الوراثية فيها؛ من الممكن التحكم في التكاثر للجزيئات الفيروسية في الجسم. وفي الوقت نفسه، ومن أجل الحد من الآثار الجانبية، يحاول العلماء تجنب إدخال الحمض النووي المعدل وراثيًا إلى خلايا الأعضاء التناسلية، وبالتالي تجنب التأثير على نسل المريض في المستقبل.

وتجدر الإشارة أيضًا إلى النقد الكبير لهذه التكنولوجيا في وسائل الإعلام: ينظر الكثيرون إلى تطوير الفيروسات المعدلة وراثيًا على أنه تهديد للبشرية جمعاء.

وبمساعدة العلاج الجيني، من الممكن في المستقبل تغيير الجينوم البشري. حاليًا، الطرق الفعالة لتعديل الجينوم البشري هي في مرحلة التطوير والاختبار على الرئيسيات.

منذ فترة طويلة الهندسة الوراثية للقرودواجهت صعوبات خطيرة، ولكن في عام 2009 توجت التجارب بالنجاح: ظهر منشور في مجلة نيتشر حول الاستخدام الناجح للناقلات الفيروسية المعدلة وراثيا لعلاج قرد ذكر بالغ مصاب بعمى الألوان. وفي نفس العام، ظهر أول حيوان رئيسي معدل وراثيا (نمت من بيضة معدلة) أنجبت ذرية - قرد عادي (.كاليثريكس جاكوس).

على الرغم من أن الهندسة الوراثية قد تم تطبيقها على نطاق صغير، إلا أنها قد بدأت بالفعليستخدم لإعطاء النساء المصابات بأنواع معينة من العقم فرصة للحمل. ويستخدم لهذا الغرض بيض المرأة السليمة. ونتيجة لذلك، يرث الطفل النمط الجيني من أب واحد وأمين.

ومع ذلك ، فإن إمكانية إدخال أكثر أهميةتواجه التغييرات في الجينوم البشري عددًا من المشكلات الأخلاقية الخطيرة. في عام 2016 ، تلقت مجموعة من العلماء في الولايات المتحدة الموافقة على إجراء تجارب سريرية لطريقة علاج السرطان باستخدام الخلايا المناعية الخاصة بالمريض ، والتي تم تعديلها وراثيًا باستخدام تقنية CRISPR / Cas9.

وفي نهاية عام 2018، ولد طفلان في الصين،تم تغيير جينومه بشكل مصطنع (تم إيقاف الجين CCR5) في المرحلة الجنينية باستخدام طريقة كريسبر/كاس9، كجزء من الأبحاث التي أجريت منذ عام 2016 لمكافحة فيروس نقص المناعة البشرية. وكان أحد الوالدين (الأب) مصابا بالفيروس، وولد الأطفال، بحسب البيان، بصحة جيدة.

وبما أن التجربة كانت غير مصرح بها (قبللذلك، لم يُسمح بإجراء مثل هذه التجارب على الأجنة البشرية إلا في المراحل الأولى من التطور مع تدمير المادة التجريبية لاحقًا، أي دون زرع الجنين في الرحم وولادة الأطفال)، وقد قام العالم المسؤول عن ذلك ولم يقدم دليلاً على تصريحاته التي أدلى بها في مؤتمر دولي حول تحرير الجينوم.

في نهاية يناير 2019 ، أكدت السلطات الصينية رسميًا حقائق هذه التجربة. في غضون ذلك ، مُنع العالم من مزاولة الأنشطة العلمية وتم اعتقاله.

كيف يتم تحرير الجينوم البشري؟

• طريقة أصابع الزنك

تم العثور على "أصابع الزنك" أيضًا في التركيبةالبروتينات البشرية. بفضل هذه الطريقة ، من الممكن تصميم سلسلة ZFN بحيث تتعرف على قسم معين من الحمض النووي. هذا يجعل من الممكن استهداف مناطق محددة داخل الجينومات المعقدة.

تم العثور على مجالات إصبع الزنك فيعوامل النسخ البشرية - البروتينات التي تنظم عملية تخليق الحمض النووي الريبي (RNA) باستخدام قالب الحمض النووي (DNA). عند إنشاء نوكليازات صناعية، من الممكن بناء سلسلة من "أصابع الزنك" بحيث تتعرف على قسم معين من الحمض النووي.

إذا كانت هذه السلسلة طويلة بما فيه الكفاية ، فهييمكن أن يتعرف على تسلسل الحمض النووي الممتد نسبيًا والذي يتكون من عدد من شظايا ثلاثي النوكليوتيدات. وهذا يعني إمكانية حقيقية للتأثير المستهدف على مناطق محددة داخل جينومات معقدة كبيرة.

ومع ذلك، فقد كشفت أيضًا طريقة "إصبع الزنك".عيوب خطيرة: أولا، هذا ليس اعترافا صارما للغاية بتكرار ثلاثي النوكليوتيد، مما يؤدي إلى عدد ملحوظ من انقسامات الحمض النووي في المناطق "غير المستهدفة".

ثانياً ، تبين أن الطريقة كانت شاقة للغاية وباهظ الثمن ، نظرًا لأنه من الضروري لكل تسلسل DNA إنشاء بنية بروتينية محسّنة خاصة بها من نوكلياز إصبع الزنك. لذلك ، فإن نظام "أصابع الزنك" غير منتشر.

• تالين

في عام 2011 ، أطلقت مجلة Nature Methods اسم النظامTALEN (نوكلياز المستجيب مثل منشط النسخ) "طريقة العام" بسبب مجموعة واسعة من التطبيقات الممكنة في مجالات مختلفة من العلوم الأساسية والتطبيقية.

TALEN هي إحدى طرق التطبيق المستهدفكسر في الحمض النووي مع "الشفاء" اللاحق - لإيقاف الجينات في الفئران. بعد ذلك مباشرة ، تم استخدام هذه التقنية لإدخال طفرة في جينوم الفأر ، مما أدى إلى تطور إحدى المتلازمات الوراثية. لم يتمكن مؤلفو طريقة نمذجة الأمراض المحددة وراثيًا من "إفساد" جينوم الفأر فحسب ، بل تمكنوا أيضًا من تصحيحه مرة أخرى.

• كريسبر / كاس 9

توفر الطريقة تأثيرًا دقيقًا على مناطق محددة من الحمض النووي ويمكن استخدامها في أي مختبر بيولوجي جزيئي حديث تقريبًا.

يعتمد هذا النظام على مناطق خاصةالحمض النووي البكتيري - كريسبر (متجمعة بشكل منتظم متباعد التكرارات القصيرة المتناظرة ، أو تكرارات عنقودية متناظرة قصيرة). يتم فصل هذه التكرارات بفواصل - أجزاء قصيرة من الحمض النووي الغريب. يتم دمج الأخير في الجينوم بعد إعادة اتحاد الحمض النووي مع جينومه.

أمثلة على التحرير البشري

• تحرير الجينوم في الجسم

مرض بريان البالغ من العمر 44 عامًا من أريزوناتجلى مادو في الطفولة المبكرة. إنه غير قابل للشفاء ويرثه الرجال بشكل أساسي. داء عديد السكاريد المخاطية من النوع الثاني هو اضطراب استقلابي: يعاني الأشخاص المصابون به من طفرة في الجين المسؤول عن إنتاج إنزيم يشارك في تكسير الكربوهيدرات المعقدة. نتيجة لذلك ، تتراكم في الخلايا وتسبب العديد من أمراض الأعضاء.

قرر الرجل المشاركة في السريريةاختبار طريقة جديدة – العلاج الجيني. هذه ليست سوى المرحلة الأولى من الدراسة، وقبل تسجيل العلاج (أي قبل السماح باستخدام هذه الطريقة لجميع المرضى الذين يعانون من متلازمة هنتر)، يجب أن يكون هناك ثلاثة منهم.

الطريقة المستخدمة في حالة بريانيسمح لك Mado بتحرير الجينوم مباشرة في جسم الإنسان - وفي نفس الوقت يستهدف بدقة قسمًا معينًا من الحمض النووي. ويتم التحرير باستخدام ما يسمى بـ "أصابع الزنك".

• الأطفال المعدلين وراثيا

قام الباحث الصيني هي جيانكوي بتحرير جينومات الأجنة البشرية قبل الإخصاب في المختبر ، مما أدى إلى إصابة طفلين بتغير في الحمض النووي.

CRISPR / Cas9 باحث نظامقام بتعديل جينومات سبعة أجنة من الأزواج أثناء العلاج الإنجابي. نتيجة لإحدى حالات الحمل ، ولدت فتاتان توأمان مصحوبتان بحمض نووي متغير من أم صحية وأب مصاب بفيروس نقص المناعة البشرية. أوضح هي جيانكوي أنه أزال الجين CCR5 من الأطفال ، مما أعطاهم مناعة مدى الحياة ضد فيروس نقص المناعة البشرية.

• عودة الرؤية بالعلاج الجيني

لاستعادة الرؤية ، يمكن استخدام تقنيات علم البصريات الوراثي ، والتي يمكن من خلالها التحكم في عمل الخلايا العصبية بمساعدة بروتينات البكتيريا الحساسة للضوء ومضات الليزر.

بناءً على هذه الفكرة ، ابتكر علماء الأحياء فيروسًا ،التي يمكن أن تخترق الخلايا العصبية العقدية. هذه الخلايا العصبية مسؤولة عن نقل الإشارات من شبكية العين إلى الدماغ البشري. بمجرد دخوله إلى العصاب العقدي ، يتسبب الفيروس في إنتاج جزيئات إشارات مماثلة. ومع ذلك ، فإن هذا الإجراء لا يعيد الرؤية من تلقاء نفسه ، لأن بروتينات البكتيريا تتفاعل مع الضوء بشكل مختلف عن قضبان الشبكية ومخاريطها.

لحل هذه المشكلة أستاذ بازلابتكر الأستاذ في جامعة بوتوند روسكا وجوزيه ساهيل الأستاذ في جامعة بيتسبرغ نظارات خاصة تحول الصورة الواردة إلى تنسيق يمكن فهمه للدماغ وتحفز الخلايا العقدية باستخدام ومضات الليزر. نتيجة لذلك ، يمكن للمريض رؤية الصور الظلية للأشياء الكبيرة والقيام بأعمال معقدة أخرى.

قراءة المزيد:

اختبر العلماء نظرية البانسبيرميا على بطيئات المشية: يمكنهم السفر في الفضاء

وجد العلماء أن الذهب عالي التخصيب يتكون على شكل زبادي

يحل محرك الهيدروجين الصغير محل نظرائه من الوقود الأحفوري