تیمی از دانشمندان مؤسسه تحقیقات مغز مک‌گاورن در MIT و مؤسسه برود MIT و هاروارد با بررسی گسترده‌ای از تنوع طبیعی، سیستم‌های باستانی جدیدی کشف کرده‌اند که می‌تواند ابزارهای ویرایش ژن را گسترش دهد.
این سیستم‌ها که محققان آن‌ها را TIGR (راهنمای RNA با فواصل متناوب) نامیده‌اند، از RNA برای هدایت خود به سایت‌های مشخصی روی DNA استفاده می‌کنند. سیستم‌های TIGR را می‌توان مجدداً برنامه‌ریزی کرد تا هر توالی خاصی از DNA را هدف قرار دهند. این سیستم‌ها ماژول‌های عملکردی مجزایی دارند که می‌توانند روی DNA هدف تأثیر بگذارند. علاوه بر ماژولار بودن، اندازه TIGR بسیار فشرده‌تر از سایر سیستم‌های هدایت‌شونده با RNA، مانند CRISPR است که این ویژگی یک مزیت عمده برای تحویل آن در درمان‌های ژنی محسوب می‌شود.
این یافته‌ها در تاریخ ۲۷ فوریه در مجله Science منتشر شده است.
منبع
یک سیستم راهنمای RNA با قابلیت‌های متنوع
به گفته فنگ ژانگ، استاد علوم اعصاب در MIT و سرپرست این تحقیق، “این یک سیستم هدایت‌شونده با RNA است که قابلیت‌های متنوع زیادی دارد.” پروتئین‌های مرتبط با TIGR که Tas نامیده می‌شوند، دارای یک بخش اختصاصی برای اتصال RNA هستند که با یک راهنمای RNA تعامل دارد و آن را به یک نقطه مشخص در ژنوم می‌برد. برخی از این پروتئین‌ها با استفاده از یک بخش خاص برای برش DNA، آن را در محل هدف قطع می‌کنند. این ساختار مدولار، توسعه ابزارهای ویرایش ژن را تسهیل کرده و به محققان اجازه می‌دهد ویژگی‌های جدیدی را درون پروتئین‌های طبیعی Tas قرار دهند.
ژانگ تأکید دارد که طبیعت منبع فوق‌العاده‌ای از تنوع است و تیم او با کاوش در این تنوع به دنبال کشف مکانیزم‌های بیولوژیکی جدید است تا از آن‌ها برای اهداف گوناگون بیوتکنولوژی و پزشکی استفاده شود. پیش‌تر، تیم ژانگ سیستم‌های باکتریایی CRISPR را به ابزارهای ویرایش ژن تبدیل کرده‌اند که تأثیر بسیاری بر زیست‌شناسی مدرن داشته است.
استفاده از هوش مصنوعی در کشف سیستم‌های ویرایش ژن
برای شناسایی سیستم‌های جدید، تیم تحقیقاتی بر ویژگی ساختاری خاصی در پروتئین CRISPR-Cas9 تمرکز کردند که به راهنمای RNA متصل می‌شود. همین ویژگی کلیدی است که Cas9 را به ابزاری قدرتمند تبدیل کرده است. به گفته ژانگ، “هدایت‌شدن توسط RNA باعث می‌شود که بتوان آن را به‌سادگی برنامه‌ریزی کرد زیرا می‌دانیم که RNA چگونه به DNA یا دیگر RNAها متصل می‌شود.”
تیم تحقیقاتی صدها میلیون پروتئین زیستی را بررسی کردند تا پروتئین‌هایی را که یک دامنه مشابه دارند شناسایی کنند. آن‌ها در طول این روند، به پروتئینی به نام IS110 برخورد کردند که پیش‌تر نقش آن در اتصال به RNA شناسایی شده بود. سپس، ویژگی‌های ساختاری این پروتئین بررسی و جستجو ادامه یافت.
در این مرحله، تیم تحقیقاتی با حجم انبوهی از پروتئین‌های مرتبط اما بسیار متنوع مواجه شد و برای تجزیه و تحلیل بهتر، از هوش مصنوعی کمک گرفتند. به گفته گیلهام فاور، زیست‌شناس محاسباتی، هنگام بررسی عمیق و تکرارشونده، خروجی‌های به دست آمده به قدری متنوع می‌شوند که تحلیل آن‌ها با روش‌های استاندارد فیلوژنتیک دشوار است. به همین دلیل، از مدل‌های زبانی هوش مصنوعی برای دسته‌بندی پروتئین‌ها بر اساس روابط تکاملی‌شان استفاده شد.
سیستم‌های TIGR چگونه عمل می‌کنند؟
پس از بررسی‌ها، گروهی از پروتئین‌ها شناسایی شدند که با داشتن توالی‌های تکراری خاصی، به سیستم‌های CRISPR شباهت داشتند. این مجموعه، سیستم‌های TIGR-Tas نام گرفتند.
در مجموع، تیم ژانگ بیش از ۲۰,۰۰۰ نوع مختلف از پروتئین‌های Tas را کشف کرد که بیشتر در ویروس‌های آلوده‌کننده باکتری‌ها یافت می‌شوند. توالی‌های تکراری در هر ژن این سیستم‌ها (که به آن‌ها آرایه‌های TIGR می‌گویند)، یک راهنمای RNA را رمزگذاری می‌کنند که با قسمت اتصال RNA پروتئین تعامل دارد. برخی از این پروتئین‌ها مستقیماً به برش DNA کمک می‌کنند؛ درحالی‌که برخی دیگر احتمالاً موجب هدایت سایر پروتئین‌ها به DNA می‌شوند.
کاربردهای بالقوه سیستم‌های TIGR در درمان‌های ژنی
تیم ژانگ آزمایشاتی روی ده‌ها پروتئین Tas انجام دادند و نشان دادند که برخی از آن‌ها را می‌توان برای ایجاد تغییرات هدفمند در DNA سلول‌های انسانی برنامه‌ریزی کرد. آن‌ها امیدوارند که این سیستم را به ابزاری انعطاف‌پذیر و دقیق در ویرایش ژن تبدیل کنند.
یکی از مزایای مهم سیستم TIGR این است که برخلاف CRISPR که تنها می‌تواند مناطقی از DNA را که همراه با دنباله‌های خاصی تحت عنوان PAM هستند هدف قرار دهد، این سیستم چنین محدودیتی ندارد. به گفته ریانون مک‌ری، مشاور علمی تیم، “این یعنی نظریه‌ای، هر نقطه‌ای در ژنوم را می‌توان مورد هدف قرار داد.” همچنین، سیستم TIGR-Tas دارای یک مکانیسم هدایت دوگانه است که امکان تعامل با هر دو رشته مارپیچ DNA را فراهم می‌کند. ویژگی دیگر این سیستم، اندازه کوچک‌تر پروتئین‌های Tas است که به طور متوسط یک‌چهارم اندازه Cas9 هستند. این امر می‌تواند چالش‌های مربوط به تحویل ابزارهای ویرایش ژن به سلول‌ها را کاهش دهد.
مطالعات آینده بر روی سیستم‌های TIGR
ژانگ و تیمش اکنون در حال بررسی نقش طبیعی سیستم‌های TIGR در ویروس‌ها و همچنین قابلیت‌های بالقوه آن برای تحقیقات و درمان‌های ژنی هستند. آن‌ها موفق شده‌اند ساختار مولکولی یکی از پروتئین‌های Tas که در سلول‌های انسانی عملکرد دارد را مشخص کنند و از این اطلاعات برای بهینه‌سازی عملکرد آن استفاده خواهند کرد.
همچنین، شباهت‌هایی بین سیستم‌های TIGR-Tas و برخی از پروتئین‌های پردازش RNA در سلول‌های انسانی مشاهده شده است. به گفته ژانگ، “هنوز جنبه‌های زیادی برای مطالعه این ارتباطات باقی مانده است و ممکن است این تحقیقات به ما کمک کند که درک بهتری از عملکرد این سیستم‌ها در بدن انسان داشته باشیم.”