آلية جديدة قد تساعد في علاج الأمراض النادرة
أثبت مهندسو الطب الحيوي في جامعة ديوك نهجا جديدا واعدا يمكن استخدامه لعلاج فئة نادرة ومعقدة من الأمراض الوراثية الناجمة عن عيوب في منطقة كبيرة نسبيا من الجينوم.
ومن خلال تحديد وتنشيط مفتاح وراثي رئيسي باستخدام تقنية كريسبر، أظهر الباحثون أنهم قادرون على تشغيل العديد من الجينات المكبوتة بشكل طبيعي من أحد الوالدين للتعويض عن العيوب في نفس الجينات التي يوفرها الوالد الثاني.
متلازمة برادر ويلي
إن المرض المحدد الذي يستهدفه البحث هو متلازمة برادر ويلي، والتي تسبب مجموعة واسعة من المشاكل الجسدية والعقلية والسلوكية، وأبرزها الشعور المستمر بالجوع.
وفي حين اقتصر العمل على إثبات المفهوم في هذه الدراسة على علاج الخلايا الجذعية والخلايا العصبية المزروعة من تلك الخلايا في المختبر، يأمل الباحثون أن يكون لها في نهاية المطاف تأثير سريري.
نشرت النتائج في مجلة Cell Genomics.
إن تأثيرات متلازمة برادر ويلي على المرضى متعددة الأوجه لأنها تنبع من فقدان الشخص لمنطقة كاملة من الكروموسوم تحتوي على العديد من الجينات المختلفة ذات الوظائف المختلفة.
وتتسبب هذه المتلازمة في رغبة الأشخاص في تناول الطعام طوال الوقت لأن شهيتهم لا تشبع أبدًا، مما يؤدي إلى مجموعة من المشكلات الأخرى المرتبطة بزيادة الوزن.
ويسبب المرض أيضًا عيوبًا في النمو والتطور البدني، وضعفًا في الإدراك، ومشاكل في الكلام، وملامح وجه مميزة، والعديد من التأثيرات الأخرى.
لكن هذه الجينات غائبة فقط من جانب الأب في المعادلة الوراثية، فالأشخاص المصابون بمتلازمة برادر ويلي ما زالوا يحملون الجينات المطلوبة من أمهاتهم، ولكن هذه الجينات يتم إسكاتها بشكل طبيعي في الأشخاص الأصحاء من خلال آلية تسمى البصمة الوراثية.
وقال تشارلز جيرسباخ، أستاذ الهندسة الطبية الحيوية المتميز في جامعة ديوك: "هناك العديد من الأمثلة على هذه المناطق المطبوعة من الجينوم، حيث يتم عادةً إسكات نسخة واحدة من مجموعة من الجينات من أي من الوالدين، لكن المشاكل تحدث عندما تتسبب الطفرة في فقدان الأشخاص للجينات النشطة التكميلية من الوالد الآخر. لا توجد علاجات حقيقية لهذه المشكلة في الوقت الحالي، ولكن هؤلاء الأشخاص لديهم بالفعل نسخ من جميع الجينات التي يحتاجون إليها، ونحن بحاجة فقط إلى إيجاد طريقة لتنشيطها".
لقد أمضى مختبر جيرسباخ وزملاؤه في جامعة ديوك أكثر من عقد من الزمان في تطوير طرق لاستخدام كريسبر لتعديل النشاط الجيني. تم اكتشاف كريسبر في الأصل كنظام دفاع بكتيري ضد الفيروسات، وهو يستهدف تسلسلات جينية محددة للغاية.
في حين أن النظام الأصلي يحمل بروتينًا يسمى Cas9 يقوم بتقطيع وتقسيم الجينومات الفيروسية المستهدفة، فإن جزء استهداف الحمض النووي في النظام يمكن أن يعمل بشكل مستقل.
ومن خلال إزالة وظيفة القطع هذه "لإضعاف" كريسبر، يمكن استخدامه بدلًا من ذلك لاستهداف وإجراء عمليات تلاعب أخرى بالمادة الوراثية مع ترك تسلسل الحمض النووي الأساسي دون تغيير.
على سبيل المثال، يمكن أن يرتبط بالجينات ويمنعها من القيام بوظائفها الطبيعية، أو يمكنه التلاعب كيميائيًا بالبروتينات التي تغلف الحمض النووي، مما يؤدي إلى تنشيط أو إسكات التعبير عن الجينات من خلال شبكة من الجزيئات الحيوية تسمى الإبيجينوم.
وأوضح جيرسباخ: أنه "بالرغم من أن تقنية كريسبر معروفة على نطاق واسع بقدرتها على تغيير تسلسل الحمض النووي، فإن تركيزنا على تنظيم الجينوم يشبه إلى حد كبير كيفية تنظيم علم الأحياء للنشاط الجيني بشكل طبيعي".
وأضاف: "فكر في كيفية تنظيم جيناتنا عبر جميع أنواع الخلايا والأنسجة المختلفة، وكيف يتغير نشاطها عندما نتقدم في العمر أو نتجدد أو نستجيب للأدوية، لا يغير أي من هذه التأثيرات التسلسل الجيني الأساسي لدينا، ولكنها تؤثر بشكل عميق على كيفية تنظيم جيناتنا".
وقد أثبت جيرسباخ ومختبره بالفعل طرقًا محددة لإسكات الجينات الفردية أو إرسالها إلى حالة من النشاط المفرط، ولكن تنشيط منطقة كاملة من الجينات التي تم إسكاتها من خلال الطبع الجيني يمثل تحديًا مختلفًا.
لم يكن الباحثون متأكدين حتى من إمكانية تحقيق ذلك.
ولمعرفة ذلك، قام جيرسباخ بتوجيه اثنين من طلاب الدكتوراه، وهما جوش بلاك، الذي يعمل الآن عالمًا في جامعة ديوك، وداليا روهم، التي تخرجت مؤخرًا وبدأت دراسات ما بعد الدكتوراه في جامعة تورنتو.
فحص فريق الباحثين آلاف الأهداف الجينومية بحثًا عن استجابات للتغيرات الجينية التي قد تؤثر على المنطقة الكروموسومية بأكملها. وقد أصبح هذا الجهد أسهل بسبب حقيقة أن تسلسلات استهداف CRISPR سريعة وسهلة الإنتاج، ويمكن اختبار الآلاف منها لمعرفة التأثيرات في ملايين الخلايا في تجربة واحدة.
وفي نهاية المطاف تكللت جهود الباحثين بالنجاح، إذ تمكنوا من الكشف عن مواقع محددة تعمل كمفتاح طاقة رئيسي لإسكات المنطقة الجينومية بأكملها.
حاول الباحثون اتباع طريقتين لتشغيل هذه المفاتيح، الأولى تجنيد آلية التنشيط الخلوية مباشرة إلى عتبة بابها والثانية تحررها بشكل أساسي من سلاسلها الجزيئية الحيوية القمعية.
اكتشف الباحثون أن النهج الثاني، والذي يسمى نزع ميثيل الحمض النووي، قام بتنشيط الجينات الأمومية الضرورية بشكل دائم في الخلايا الجذعية التي نمت في نهاية المطاف إلى خلايا عصبية حافظت على التعبير عن الجينات الضرورية.
وقال روهم: "ربما كانت هذه النتيجة الأكثر إثارة".
وأضاف: "إننا نستطيع استخدام تقنية كريسبر كعلاج مؤقت ولكننا نحصل على تأثير دائم ومستقر، وهذا يقودنا إلى الأمل في أن نتمكن في نهاية المطاف من ترجمة هذا إلى علاج دائم، ليس فقط لمرضى متلازمة برادر ويلي، ولكن أيضًا لأمراض وراثية نادرة أخرى تحدث بآلية مماثلة".
ولكن لا يزال هناك الكثير من الأبحاث التي يتعين القيام بها قبل أن يتحول هذا الأمل إلى حقيقة، فلكي ينجح نظام إزالة الميثيل من الخلايا العصبية في علاج المرضى من البشر، لا بد من توصيله إلى الخلايا العصبية عبر مناطق كبيرة من الدماغ، وهو التحدي الذي يعمل العديد من العاملين في مجال تقنية كريسبر حاليًا على التغلب عليه.
ومن الضروري أيضًا أن نثبت أن هذه التغيرات الجينية وتأثيراتها يمكن أن تترسخ وتظل مستقرة في الخلايا العصبية الناضجة بالفعل.
وهذه هي الخطوات التالية التي يعمل جيرسباخ وزملاؤه عليها بالفعل من خلال متابعة الدراسات على الحيوانات باستخدام آليات توصيل CRISPR الحالية.
ومع وجود قدر كبير من النشاط والتقدم في هذا المجال، فمن المرجح أن تتوفر العديد من تقنيات التوصيل الأخرى في السنوات القادمة.
وقال بلاك: "إذا كنت تريد علاج هذا المرض من خلال العلاج الجيني التقليدي، فسوف يتعين عليك تقديم العديد من الجينات والحمض النووي الريبوزي المختلفة".
وأضاف: "إن نهجنا في التعامل مع وحدة تحكم رئيسية لكل هذه الجينات الموجودة بالفعل في المنطقة المطبوعة هو خيار أكثر وضوحًا. وهذا في الواقع هو حالة استخدام مثالية لتكنولوجيا تحرير الجينوم التي ركزنا عليها".
