کریسپر در رویان‌ها به‌جای تصحیح ژن، می‌تواند کل کروموزوم را حذف کند

در سال ۲۰۱۷، پژوهشگرانی از دانشگاه بهداشت و علوم اورگن خبر بزرگی (اگر درست باشد) را اعلام کردند. این دانشمندان با هدایت زیست‌شناسی به‌نام شوخرات میتالیپوف، از ابزار کریسپر، برنده‌ی جایزه نوبل‌، اولین‌بار در کشور آمریکا برای رفع جهش عامل بیماری قلبی در رویان‌های انسان استفاده کردند. یک هفته‌ بعد، مجله‌ی Nature جزئیات این آزمایش‌های تحول‌آفرین را منتشر کرد. در آن زمان، به‌نظر می‌رسید ویرایش گروه میتالیپوف بسیار شگفت‌آور عمل کرده باشد؛ اما یک مورد طبق انتظار پیش نرفت.

کریسپر با شکافتن DNA در مکان خاصی از ژنوم عمل می‌کند. سپس، سلول وظیفه دارد شکستگی حاصل در دو رشته‌ی DNA را ترمیم کند. یکی از راه‌ها برای اطمینان از اینکه این کار درست انجام می‌شود، تحویل قطعه‌ای از DNA اصلاح‌کننده همراه‌با اجزای کریسپر است؛ اما گروه میتالیپوف گزارش کرد که رویان‌های آن‌ها از الگویی استفاده نکردند که آن‌ها تحویل داده بودند. رویان‌های مطالعه‌شده با ترکیب تخمک اهدایی سالم با اسپرم حامل جهش تولید شده بودند؛ اما مشخص شد رویان‌های تازه‌باورشده برای بازسازی ژن، به‌جای رشته‌ی DNA اصلاح‌کننده، از نسخه‌ی سالم تخمک استفاده کرده بودند.

نتیجه عجیب، ولی بالقوه بسیار جالب بود. این بدان‌معنا بود که رویان‌ها در مراحل اولیه ممکن است مکانیسم‌های ترمیم منحصر‌به‌فردی داشته باشند که سلول‌های دیگر فاقد آن هستند و می‌توان این مکانیسم را برای ویرایش ژن به‌کار گرفت. علاوه‌بر‌این، این امر ممکن است اصلاح جهش‌های تهدیدکننده‌ی زندگی را در رویان‌هایی آسان‌تر کند که فقط یکی از والدین آن‌ها حامل نقص ژنتیکی هستند. تکنیک تغذیه الگو بسیار ناکارآمدی است؛ زیرا سلول‌ها دوست ندارند به آن‌ها گفته شود چه کاری انجام دهند.

گفتنی است همه‌ی دانشمندان توضیح گروه میتالیپوف را نپذیرفتند. این امر مشاجره‌ای را درون جامعه‌ی کریسپر درباره‌ی اتفاقات دیگری آغاز کرد که ممکن است رخ دهد. اگرچه فقط تعداد کمی از افراد مشکوک تخصص و منابع لازم برای بررسی این موضوع را دراختیار داشتند. یکی از دانشمندان دیتر اگلی، زیست‌شناس شاخه‌ی سلول‌های بنیادی در دانشگاه کلمبیا بود. ویرایش رویان‌های انسانی ماندگار در آمریکا قانونی نیست و دولت هزینه‌ی این نوع پژوهش‌ها را نمی‌پذیرد. بنابراین، دانشمندانی که می‌خواهند ویرایش رویان انسان را دنبال کنند، باید برای تأمین بودجه به‌دنبال کمک‌های مالی بشردوستانه خصوصی بگردند. اگلی از حمایت بنیاد سلول‌های بنیادی نیویورک و بنیاد راسل بری برخوردار بود. تیم او تقریبا بلافاصله کار خود را شروع کرد. حالا تقریبا سه سال گذشته است و او فکر می‌کند آن‌ها سرانجام به پاسخ محتمل‌تری به آنچه هنگام ویرایش رویان انسان رخ می‌دهد، دست پیدا کرده‌اند.

کریسپر در بیشتر مواقع، مکانیسم‌های ترمیم جدید را برنمی‌انگیزد. با این روش، گاهی کل ژن و گاهی کل کروموزوم ناپدید می‌شود. اگلی که مطالعه‌ی او به‌تازگی در مجله‌ی Cell منتشر شده است، با اشاره به نتایج مطالعه‌‌اش می‌گوید باید درباره‌ی انتقال این نوع پژوهش‌ها به کلینیک‌ها به‌شدت احتیاط کرد. او معتقد است اگر چنین داده‌هایی دو سال زودتر به‌دست آمده بود، موجب انصراف پژوهشگران در زمینه‌ی تلاش برای استفاده از کریسپر برای ویرایش رویان‌های انسان با هدف آغاز بارداری می‌شد؛ اما در سال ۲۰۱۸ دانشمندی چینی به‌نام هه جیانکوی این کار را انجام داد و ادعا کرد اولین کودکان تغییریافته به‌کمک کریسپر در جهان را ایجاد کرده و به آن‌ها جهشی داده است که دربرابر عفونت HIV محافظت می‌کند. این آزمایش رسوایی فاجعه‌باری بود و هه جیانکوی که به سه سال حبس محکوم شد، اکنون در زندان به‌سر می‌برد؛ اما کار او راهگشای پژوهشگران دیگری بود که مشتاق پیشرفت این فناوری بودند. سال گذشته، دانشمندی روسی برنامه‌های خود را درزمینه‌ی استفاده از کریسپر برای کمک به والدین ناشنوا برای داشتن فرزندانی را علنی کرد که حامل جهش ژنی عامل نقص شنوایی والدین خود نخواهند بود.

در مقاله‌ی Cell، پژوهشگران با هدایت اگلی کریسپر را به اسپرم اهدایی فردی تزریق کردند که جهش عامل نابینایی در ژنی به‌نام EYS2 دارد و روی بازوی بلند کروموزوم ۶ قرار گرفته است. کریسپر پس از ورود برش‌هایی را در محل این نقص ژنتیکی ایجاد کرد. پژوهشگران ماده‌ی جدیدی برای تصحیح آن توالی اضافه نکردند؛ زیرا هدف آن‌ها لزوما رفع آن جهش نبود. آن‌ها بیشتر می‌خواستند ببینند اگر رویان به حال خود رها شود، چگونه محل شکستگی را ترمیم می‌کند. پژوهشگران سپس از اسپرم ویرایش‌شده برای بارورکردن تخمک‌های سالم در آزمایشگاه استفاده و ۲۴ رویان ایجاد کردند. وقتی آن‌ها ژنوم رویان‌های حاصل را تجزیه‌و‌تحلیل کردند، نتوانستند جهشی را درحدود نیمی از آن‌ها تشخیص دهند و این‌طور به‌نظر می‌رسید که ویرایش کارآمد بوده است.

پژوهشگران درادامه با استفاده از تکنیک‌های غربالگری DNA توسعه‌داده‌شده‌‌ی استارتاپ Genomic Prediction داده‌ها را دقیق‌تر بررسی کردند. این استارتاپ ابزار انتخاب رویان را می‌فروشد که هدف آن کمک به والدین برای انتخاب رویان‌هایی است که احتمال بروز اختلالات ژنتیکی در آن‌ها حداقل است. ابزار آن‌ها کرموزوم‌های گم‌شده یا نوآرایی مجدد کروموزوم‌ها را نیز شناسایی می‌کند.

نرم‌افزار استارتاپ مذکور قطعات DNA هر دو طرف مادری و پدری کروموزوم ۶ را شمارش کرد و نشان داد که جهش تصحیح نشده است. درواقع، مواد ژنتیکی مربوط به اسپرم به‌کلی ناپدید شده بود. اگلی معتقد است برش ایجادشده با کریسپر اصلا ترمیم نمی‌شود و شکافی در DNA برجای می‌گذارد. این شکستگی، بازوی بلند کروموزوم را از دوک آن جدا می‌کند و بدین‌ترتیب، آن بخش از کروموزوم گم می‌شود. دوک‌ها فیبرهایی هستند که در جریان تقسیم سلولی کروموزوم‌ها را از هم جدا می‌کنند.

آزمایش‌های تیم اگلی و نگرانی‌های ایمنی حاصل از آن‌ها، بر این بحث تأثیر گذاشته است که آیا دانشمندان باید از ویرایش ژنوم موروثی انسان، یعنی اصلاح DNA اسپرم یا تخمک یا رویان، برای پیشگیری از بیماری‌های ژنتیکی استفاده کنند.

در کشور آمریکا، هر آزمایش شامل ایجاد بارداری با رویانی که ازنظر ژنتیکی اصلاح شده باشد، ممنوع است. براساس بررسی اخیری درباره‌ی سیاست‌های جهانی ویرایش ژن، ۷۵ کشور دیگر نیز ممنوعیت مشابهی دارند. هیچ کشوری صراحتا اجازه‌ی ویرایش ژنوم موروثی در انسان را نمی‌دهد؛ اگرچه بسیاری از کشورها اصلا در این مورد هیچ‌گونه قوانینی ندارند. هیئتی از سازمان جهانی بهداشت در تلاش است تا استانداردهای نظارتی هماهنگ جهانی را در این زمینه تعیین کند تا کشورها آن را دنبال کنند. سازمان جهانی بهداشت در بیانیه‌ای در ماه جولای‌ گذشته از کشورها خواست تا هرگونه آزمایشی را فورا متوقف کنند که به تولد انسان‌های تغییریافته منجر می‌شود.

ماه گذشته، کمیته‌ی دیگری که در پی رسوایی نوزاد کریسپر آکادمی ملی علوم تشکیل داد، گزارش ۲۲۵ صفحه‌ای درباره‌ی نحوه‌ی ویرایش ژنوم موروثی بی‌خطر و مباحث اخلاقی آن منتشر کرد. در این گزارش، پژوهش گروه اگلی و دو مورد دیگر که تغییرات کروموزومی ناخواسته را توصیف می‌کنند، به‌عنوان شواهدی در این زمینه ذکر می‌شوند که هنوز برای انتقال این روش به کارآزمایی‌های بالینی بسیار زود است و دانش مرتبط با آن کامل نیست.

گایتن بورگیو، ژنتیکدان دانشگاه ملی استرالیا می‌گوید: «این مطالعه‌ای هوشمندانه است که به‌خوبی انجام شده و نتایج آن بسیار قانع‌کننده است.» او می‌گوید نتایج یادشده این واقعیت را تقویت می‌کند که فناوری ویرایش ژن در رویان انسان هنوز ایمن نیست و قبل از اینکه کسی بخواهد بارداری‌ با رویان‌های ویرایش‌‌شده را آغاز کند، به پیشرفت‌های زیادی نیاز است. او فکر می‌کند هنوز چگونگی پاسخ رویان‌های انسانی به برش به‌کمک کریسپر را درک نکرده‌ایم. تیم اگلی، تنها یک ژن را بررسی کرده است و آن‌ها الگوی ترمیمی را همراه کریسپر ارائه ندادند.

کتی نیاکان، متخصص زیست‌شناسی رشد و گروهش در مؤسسه‌ی فرانسیس کریک در لندن، تابستان امسال در مقاله‌ی پیش‌چاپی توضیح دادند که به موفقیت بیشتری در حذف ژن با استفاده از روش کریسپر دست پیدا کرده‌اند. اگرچه کریسپر تقریبا در یک‌چهارم از رویان‌های آن‌ها، بخش‌های بزرگی از توالی را از بین برده بود که قرار نبود حذف شود. در مواقعی، چندین هزار حرف DNA حذف شده بود.

گروه میتالیپوف نیز مقاله‌ی پیش‌چاپ جدیدی دارد که ادعای سال ۲۰۱۷ آن‌ها را تقویت می‌کند. آزمایش‌های جدید آن‌ها نشان می‌دهد رویان‌ها در ۴۰ درصد از موارد از الگوهای DNA خود برای ترمیم شکستگی‌ها استفاده می‌کنند؛ فرایندی که «تبدیل ژنی» نام دارد. اگلی این توضیح را نمی‌پذیرد و وقتی مقاله‌ی اخیر آزمایشگاه میتالیپوف را بررسی می‌کند، ازدست‌دادن کروموزوم را می‌بیند و نه تبدیل ژنی. او می‌گوید: «در اینجا، به این مسئله پرداخته نشده است.» برای اثبات این موضوع که رویان‌ها جهش پدری را با توالی جدیدی جایگزین می‌کنند که از ژن مادری طبیعی کپی شده است، باید بتوانید نشان دهید که رویان‌ها دو نسخه از ماده‌ی ژنتیکی را دارند که از تخمک می‌آید. مقاله‌ی میتالیپوف فقط وجود یک نسخه را تأیید می‌کند. اگلی می‌گوید: «این داده‌ها برای نتیجه‌گیری این موضوع کافی نیست که تبدیل ژنی رخ داده است.»

پائولا آماتو، متخصص زنان و زایمان در دانشگاه بهداشت و علوم اورگن و همکار نزدیک میتالیپوف و نویسنده‌ی همکار مقاله‌ی سال ۲۰۱۷ و نیز مقاله‌ی پیش‌چاپ جدید، گفت کار اگلی فرضیه‌ی آن‌ها را رد نمی‌کند؛ بلکه فقط توضیح دیگری برای نتایج ارائه می‌دهد. وی در پاسخ به استدلال اگلی در این زمینه که داده‌های آن‌ها ممکن است با ا‌زدست‌دادن کروموزوم توضیح داده شود، خاطرنشان کرد که تجزیه‌و‌تحلیل گروه اگلی مشکل منحصر‌به‌فردی دارد.

گاهی اوقات، وقتی توالی DNA یک سلول واحد جداشده از رویان را توالی‌یابی می‌کنید، یک یا هر دو نسخه از یک ژن ثبت نمی‌شود. این پدیده با عنوان حذف الل (Allele Dropout) شناخته می‌شود که او فکر می‌کند می‌‌تواند توضیح دیگری برای ناپدیدشدن کروموزوم باشد. او دوست دارد گروه اگلی آزمایش‌های مربوط به ژن نابینایی را در کلون‌های سلول‌های بنیادی تکرار کند که دچار پدیده‌ی ناپدیدشدن تصادفی نمی‌شوند.

آماتو افزود گروه او در حال انجام مطالعات بیشتری برای اعتبارسنجی بیشتر نتایج خود است. او نگفت آیا پیش‌چاپی که گروهش این تابستان منتشر کرده‌اند، برای چاپ در مقاله‌ای علمی پذیرفته شده است یا خیر. آماتو نوشت: «هر دو گروه با این موضوع موافق هستند که ویرایش توارث‌پذیر ژنوم در انسان هنوز آماده نیست و قبل از استفاده‌ی بالینی‌، به پژوهش‌های بسیار بیشتری نیاز است.» مورد دیگری که همه درباره‌ی آن اتفاق نظر دارند، این است که پرداختن به این موضوع بسیار مهم است هنگام تزریق کریسپر به رویانی که در مراحل اولیه قرار دارد، چه اتفاقی می‌افتد.

اگر فرم کلاسیک این ابزار مولکولی که در تمام مطالعات ذکرشده استفاده شده است، خرابی زیادی در ژنوم ایجاد کند، روش‌های جایگزینی که شکستگی درخورتوجهی در DNA دورشته‌ای ایجاد نمی‌کنند، ممکن است ترجیح داده شود. در یکی از این روش‌ها (Base Editing)، DNA فقط به‌اندازه‌ای باز می‌شود که یک جفت باز بتواند جایگزین دیگری شود و در روش دیگر (Prime Editing) شکاف کوچکی در یک سمت از مارپیچ مضاعف DNA ایجاد و ویرایش در آن محل انجام می‌شود. تاکنون، هیچ‌یک از این روش‌ها در انسان‌ها آزمایش نشده‌اند.