עריכה אנושית: כיצד ומדוע מדענים מבצעים פעולות גנום

יישום הנדסה גנטית במחקר מדעי

• נוק אאוט

ללמוד את הפונקציה של זה או אחר

ניתן להשתמש בנוק-אאוט של גנים. זהו השם לטכניקה של הסרת גן אחד או יותר, המאפשרת ללמוד את ההשלכות של מוטציה כזו.

עבור נוקאאוט, אותו גן או קטע שלו מסונתז, משתנה כך שתוצר הגן מאבד את תפקידו. שיטות יישום עיקריות: אצבע אבץ, מורפולינו ו-TALEN.

כדי להשיג עכברי נוקאאוט, הושגהמבנה המהונדס גנטית מוחדר לתאי גזע עובריים, שם המבנה עובר רקומבינציה סומטית ומחליף את הגן הנורמלי, והתאים שהשתנו מושתלים בבלסטוציסט של האם הפונדקאית. בזבוב הפירות מתחילים מוטציות של דרוזופילה באוכלוסיה גדולה, שבה מחפשים אחר צאצאים עם המוטציה הרצויה. צמחים ומיקרואורגניזמים דופקים בצורה דומה.

• ביטוי מלאכותי

תוספת הגיונית לנוקאאוט היאביטוי מלאכותי, כלומר תוספת של גן לגוף שלא היה לו קודם. ניתן להשתמש בטכניקה זו של הנדסה גנטית לחקר תפקודם של גנים. למעשה, תהליך הכנסת גנים נוספים זהה לנוק-אאוט, אך הגנים הקיימים אינם מוחלפים או נפגמים.

• הדמיית מוצרי גנים

משמש כאשר המשימה היא ללמודלוקליזציה של תוצר הגן. אחת משיטות התיוג היא להחליף את הגן הרגיל בגן שהתמזג עם אלמנט כתב, למשל, בגן החלבון הפלורסנטי הירוק GFP. חלבון זה, אשר פורח באור כחול, משמש כדי לדמיין את התוצר של שינוי גנטי.

טכניקה זו אמנם נוחה ושימושית, אך תופעות הלוואי שלההתוצאות עשויות להיות אובדן תפקוד חלקי או מוחלט של החלבון הנחקר. שיטה מתוחכמת יותר, אם כי לא כל כך נוחה, היא להוסיף לחלבון הנחקר לא אוליגופפטידים גדולים כל כך שניתן לגלות באמצעות נוגדנים ספציפיים.

• חקירת מנגנון הביטוי

בניסויים כאלה, המשימה היא ללמודתנאים של ביטוי גנים. תכונות הביטוי תלויות בעיקר בחתיכת DNA קטנה הממוקמת בחזית האזור המקודד, הנקראת פרומוטור, המשמשת לקשירת גורמי שעתוק.

אתר זה מוכנס לגוף על ידי הצבת לאחרבמקום גן הכתב שלו, למשל, GFP או אנזים שמזרז תגובה שניתן לזיהוי בקלות. בנוסף לעובדה שניתן להבחין בבירור בתפקודו של האמרגן ברקמות מסוימות בשלב זה או אחר, ניסויים מסוג זה מאפשרים לחקור את מבנה האמרגן על ידי הסרה או הוספת שברי DNA אליו, כמו גם שיפור מלאכותי תפקידיה.

מדוע יש צורך בהנדסה גנטית אנושית?

כאשר הוחל על בני אדם, הנדסה גנטית יכולהמשמש לטיפול במחלות תורשתיות. עם זאת, מבחינה טכנית, יש הבדל משמעותי בין טיפול בחולה עצמו לבין שינוי הגנום של צאצאיו.

המשימה של שינוי הגנום הבוגרזה קצת יותר מסובך מגידול גזעים חדשים של בעלי חיים מהונדסים גנטית, שכן במקרה זה יש צורך לשנות את הגנום של תאים רבים של אורגניזם שכבר נוצר, ולא רק ביצית עוברית אחת. לשם כך, מוצע להשתמש בחלקיקים ויראליים כווקטור.

חלקיקים ויראליים מסוגלים לחדור פנימהאחוז ניכר מהתאים הבוגרים, המטמיעים בתוכם את המידע התורשתי שלהם; רבייה מבוקרת של חלקיקים ויראליים בגוף אפשרית. יחד עם זאת, כדי להפחית את תופעות הלוואי, מדענים מנסים להימנע מהחדרת DNA מהונדס גנטית לתאי איברי המין, ובכך למנוע את ההשפעה על צאצאיו העתידיים של החולה.

ראוי לציין גם את הביקורת המשמעותית על טכנולוגיה זו בתקשורת: התפתחות נגיפים מהונדסים גנטית נתפסת בעיני רבים כאיום על האנושות כולה.

בעזרת ריפוי גנטי ניתן בעתיד לשנות את הגנום האנושי. נכון לעכשיו, שיטות יעילות לשינוי הגנום האנושי נמצאות בשלב הפיתוח והבדיקה על פרימטים.

הנדסה גנטית זמן רב של קופיםהתמודדו עם קשיים רציניים, אך בשנת 2009 הניסויים הוכתרו בהצלחה: פרסום הופיע בכתב העת Nature על שימוש מוצלח בוקטורים ויראליים מהונדסים גנטית לריפוי זכר קוף בוגר מעיוורון צבעים. באותה שנה, הפרימאט הראשון שעבר שינוי גנטי (גדל מביצה שונה) הוליד צאצאים. - מרמוסט מצוי (Callithrix jacchus).

אמנם בקנה מידה קטן, הנדסה גנטית כבר עשתה זאתמשמש כדי לתת לנשים עם סוגים מסוימים של אי פוריות הזדמנות להיכנס להריון. ביצים מאישה בריאה משמשות לכך. כתוצאה מכך, הילד יורש את הגנוטיפ מאב אחד ושתי אמהות.

עם זאת, האפשרות להכניס משמעותית יותרהשינויים בגנום האנושי מתמודדים עם מספר בעיות אתיות חמורות. בשנת 2016 קיבלה קבוצת מדענים בארצות הברית אישור לניסויים קליניים בשיטת טיפול בסרטן המשתמשת בתאי החיסון של המטופל עצמו, אשר עוברים שינוי גנטי באמצעות טכנולוגיית CRISPR / Cas9.

בסוף 2018 נולדו בסין שני ילדים,שהגנום שלו שונה באופן מלאכותי (הגן CCR5 כבה) בשלב העובר בשיטת CRISPR/Cas9, כחלק ממחקר שנערך מאז 2016 למלחמה ב-HIV. אחד ההורים (האב) היה נגוע ב-HIV, והילדים, לפי ההצהרה, נולדו בריאים.

מאז הניסוי היה לא מורשה (לפנילכן, כל ניסויים כאלה בעוברים אנושיים הותרו רק בשלבי ההתפתחות המוקדמים עם ההשמדה שלאחר מכן של החומר הניסוי, כלומר ללא השתלת העובר ברחם והולדת ילדים), עשה המדען האחראי לכך. אינו מספק ראיות להצהרותיו, שנאמרו בכנס בינלאומי לעריכת גנום.

בסוף ינואר 2019 הרשויות הסיניות אישרו רשמית את עובדות הניסוי הזה. בינתיים נאסר על המדען לעסוק בפעילות מדעית והוא נעצר.

כיצד נערך הגנום האנושי?

• שיטת אצבעות אבץ

"אצבעות אבץ" נמצאים בהרכבחלבונים אנושיים. בזכות שיטה זו ניתן לעצב שרשרת ZFN כך שתזהה קטע ספציפי של ה- DNA. זה מאפשר למקד לאזורים ספציפיים בגנום מורכב.

תחומי אצבע אבץ נמצאים בגורמי שעתוק אנושיים - חלבונים המווסתים את תהליך סינתזת ה-RNA עם תבנית ה-DNA. כשיוצרים נוקלאזות מלאכותיות, אפשר לבנות שרשרת של "אצבעות אבץ" כך שהיא תזהה קטע ספציפי של DNA.

אם שרשרת כזו ארוכה מספיק, היאיכול לזהות רצפי DNA מורחבים יחסית המורכבים ממספר שברי טרינוקלאוטידים. משמעות הדבר היא אפשרות אמיתית להשפעה ממוקדת על אזורים ספציפיים בגנום מורכב גדול.

עם זאת, גם שיטת "אצבע האבץ" נחשפהחסרונות חמורים: ראשית, זו לא הכרה קפדנית מאוד של חזרות טרינוקלאוטידים, מה שמוביל למספר ניכר של ביקועי DNA באזורים "לא מטרה".

שנית, השיטה התבררה כמאומצת מאודיקר, מכיוון שלכל רצף DNA יש צורך ליצור מבנה חלבון מותאם משלו של גרעינים עם אבץ אצבע. לכן, המערכת "אצבעות אבץ" אינה רחבה.

• טאלן

בשנת 2011, כתב העת Nature Methods כינה את המערכתשיטת השנה של TALEN (גרעיני אפקטורים דמויי אפקטור כמו תעתיק) בשל מגוון רחב של יישומים אפשריים בתחומים שונים של מדעי היסוד והיישומי.

TALEN היא אחת משיטות היישום הממוקדלשבור את ה- DNA עם "הריפוי" הבא שלו - כדי לכבות גנים בעכברים. מיד אחריהם, נעשה שימוש בטכנולוגיה זו כדי להכניס מוטציה לגנום העכבר, מה שהוביל להתפתחות אחת התסמונות התורשתיות. מחברי שיטת הדוגמנות למחלות הנקבעות גנטית הצליחו לא רק "לקלקל" את הגנום של העכבר, אלא גם לתקן אותו בחזרה.

• CRISPR / Cas9

השיטה מספקת השפעה מדויקת על אזורי DNA מוגדרים וניתן להשתמש בה כמעט בכל מעבדה ביולוגית מולקולרית מודרנית.

מערכת זו מבוססת על אזורים מיוחדיםDNA חיידקי - CRISPR (אשכולות חוזרים מקובצים על פני פלינדרומי קצרים, או חוזרים על אשכולות פלינדרומי קצרים). חזרות אלה מופרדות על ידי מרווחים - שברים קצרים של DNA זר. האחרון משולב בגנום לאחר ש- DNA משלב מחדש את הגנום שלו.

דוגמאות לעריכה אנושית

• עריכת גנום ממש בגוף

מחלה של בריאן, תושב אריזונה בן 44מדו התבטא בילדות המוקדמת. היא חשוכת מרפא והיא עוברת בירושה בעיקר על ידי גברים. Mucopolysaccharidosis סוג II היא הפרעה מטבולית: לאנשים הסובלים ממנה מוטציה בגן האחראי לייצור אנזים המעורב בפירוק פחמימות מורכבות. כתוצאה מכך הם מצטברים בתאים וגורמים לפתולוגיות איברים רבות.

האיש החליט לקחת חלק בקליניקהבודקים שיטה חדשה - ריפוי גנטי. זהו רק השלב הראשון של המחקר, ולפני רישום הטיפול (כלומר, לפני הרשאה להשתמש בשיטה זו עבור כל החולים בתסמונת האנטר), חייבים להיות שלושה מהם.

שיטה בשימוש במקרה של בריאןMado מאפשר לך לערוך את הגנום ישירות בגוף האדם - ובמקביל לכוון במדויק לקטע ספציפי של DNA. העריכה מתבצעת באמצעות מה שנקרא "אצבעות אבץ". 

• ילדים שעברו שינוי גנטי

החוקר הסיני He Jiankui ערך את הגנום של עוברים אנושיים לפני הפריית מבחנה, וכתוצאה מכך שני ילדים עם DNA שונה.

חוקר מערכות CRISPR / Cas9ערך את הגנום של שבעה עוברי זוגות במהלך טיפול הרבייה. כתוצאה מאחד ההריונות, שתי ילדות תאומות עם DNA שונה נולדו מאם בריאה ואב נגוע ב- HIV. הוא ג'יאנקוי הסביר כי הסיר את הגן CCR5 מילדים, מה שנתן להם חסינות לכל החיים.

• חזון חזון עם טיפול גנטי

כדי להחזיר את הראייה ניתן להשתמש בטכנולוגיות אופטוגנטיות בעזרתן ניתן לשלוט על עבודת הנוירונים באמצעות חלבונים רגישים לאור של חיידקים והבזקי לייזר.

בהנחיית רעיון זה, ביולוגים יצרו וירוס,אשר יכולים לחדור לנוירונים הגנגליונים. תאי עצב אלה אחראים על העברת אותות מהרשתית למוח האנושי. לאחר שנוירוזה הגנגליונית, נגיף גורם לו לייצר מולקולות איתות דומות. עם זאת, הליך זה אינו מחזיר את הראייה כשלעצמו, מכיוון שחלבוני החיידקים מגיבים לאור באופן שונה מהמוטות והחרוטים של הרשתית.

כדי לפתור בעיה זו, פרופסור באזלאוניברסיטת בוטונד רוסקה והפרופסור מאוניברסיטת פיטסבורג, חוסה סהל, יצרו משקפיים מיוחדים שהופכים את התמונה הנכנסת לפורמט המובן למוח וממריצים תאי גנגליון באמצעות הבזקי לייזר. כתוצאה מכך, המטופל יכול לראות את הצלליות של חפצים גדולים וחפצים ולבצע פעולות מורכבות אחרות.

קרא עוד:

מדענים בדקו את התיאוריה של פנספרמיה בטרדיגרד: הם יכולים לנסוע בחלל

מדענים גילו כי זהב מועשר במיוחד נוצר כיוגורט

מנוע מימן זעיר מחליף את עמיתיו לדלק מאובנים