أنظمة CRISPR الجديدة المكتشفة، تعزز دقة تعديل الجينات

ما الذي يجعلنا فريدين؟ مختلفين عن معظم الناس، لكن مشابهين للبعض؟ ما الذي يشكل تركيبتنا الجسدية والسلوكية وحتى العقلية؟ الجواب يكمن في جيناتنا.

تنتقل الجينات من الآباء إلى نسلهم، وتحتوي على المعلومات التي تحدد الصفات الجسدية والبيولوجية.

لكن هذا ليس كل شيء. الجينات مسؤولة أيضًا عن الأمراض. الجينات المعيبة يمكن أن تسبب جميع الأنواع من المشكلات التي قد تظهر كعيوب خلقية أو أمراض مزمنة أو مشاكل في النمو.

طريقة متقدمة للغاية لمعالجة ذلك هي تعديل الجينات أو الجينوم، مما يسمح للعلماء بإجراء تغييرات دقيقة على الحمض النووي. يتضمن تعديل الجينات إضافة أو إزالة أو تعديل المادة الجينية في مواقع محددة.

هذه التغييرات المحددة والمستهدفة في الحمض النووي يمكن أن تؤدي إلى تعديل الصفات الجسدية أو مخاطر الأمراض. 

هذه التقنية لا تُستخدم فقط لعلاج الأمراض الجينية عن طريق تصحيح الجينات المعيبة، بل لتطوير علاجات جديدة وفهم أعمق لوظيفة الجينات. بالإضافة إلى ذلك، يمكنها تحسين المحاصيل من خلال إجراء تغييرات دقيقة على حمضها النووي. تقنية تعديل الجينات المعروفة على نطاق واسع هي CRISPR-Cas9، والتي تستند إلى نظام دفاع بكتيري طبيعي.

CRISPR-Cas9 مشتقة من CRISPR (التكرارات المتقاربة المتناظرة القصيرة المتفرقة)، وهو نظام مناعة بكتيري يساعد البكتيريا على الدفاع ضد العدوى الفيروسية عبر التعرف على الحمض النووي الفيروسي وتدميره. 

في هذا النظام، يعمل CRISPR كجهاز توجيه جيني، بينما يعمل Cas9، وهو بروتين، كـ “مقص” جزيئي لقطع الحمض النووي في مواقع محددة. إنه أبسط وأرخص وأكثر دقة من تقنيات تعديل الجينات السابقة. 

تم بالفعل منح جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2020 لطريقة تعديل الجينوم القائمة على تقنية CRISPR-Cas9. وكانت هذه هي المرة الأولى في التاريخ التي تُمنح فيها جائزة نوبل لامرأتين.

CRISPR: تحويل علم الأحياء الحديث عبر تعديل الجينات

تم التعرف على CRISPR لأول مرة قبل عدة عقود. في عام 1987، لاحظ يوشيزومي إيشينو وفريقه في جامعة أوساكا وجوده في جينومات البكتيريا (E. coli). ومع ذلك، لم يتم تحديد دور CRISPR كآلية مناعة بكتيرية إلا في أوائل العقد الأول من القرن الواحد والعشرين.

في السنوات القليلة الأخيرة، تقدمت هذه التقنية بشكل كبير وكانت تحول علم الأحياء الحديث.  

إحدى الأمثلة على ذلك هي استخدام CRISPR–Cas9 لتعديل خلايا الأجنة البشرية، مما يسمح بتمرير التغييرات الجينية إلى الأجيال المستقبلية. وقد تم رفض ذلك على نطاق واسع، مع دعوات لحظر التعديلات الجينية القابلة للوراثة.

إلى جانب ذلك، تُستخدم تقنيات CRISPR–Cas9 والتقنيات ذات الصلة بنجاح لعلاج الأمراض المهددة للحياة. 

في الأشهر الثلاثة الأولى من هذا العام فقط، استخدم عدة باحثين تقنية CRISPR لتحقيق عدة إنجازات.

في وقت سابق من هذا الشهر، أنشأ فريق من العلماء في Colossal Biosciences «فئرانًا صوفية» ذات فراء طويل يشبه فراء الماموث الصوفي المنقرض. وفعلوا ذلك من خلال تعديل سبعة جينات مرتبطة بنمو الشعر ولونه وملمسه في الوقت نفسه.

الفريق يعمل على عدة مشاريع لإعادة إحياء الأنواع المنقرضة، بما في ذلك الثيلاسين والدودو، مع الفيل الماموث كالمشروع الرئيسي. جميع هذه المشاريع تتضمن أخذ خلايا جذعية من نوع قريب من النوع المنقرض ثم تعديلها بناءً على جينومات النوع المتوفى. لهذا، استخدم الباحثون تنوعات من أنظمة CRISPR/Cas9 وCRISPR/Cas.

في الشهر الماضي، اكتشف العلماء في معهد ماكغوفرن لأبحاث الدماغ بجامعة MIT ومعهد برود التابع لـ MIT وHarvard نظامًا قديمًا موجّهًا بالـRNA¹ يمكنه توسيع مجموعة أدوات تعديل الجينوم وتبسيط إيصال علاجات تعديل الجينات.

تُسمى هذه الأنظمة بـ TIGR (RNA الموجه المتداخل المتسلسل)، ويمكن إعادة برمجتها لاستهداف أي تسلسل DNA. كما أن لديها وحدات وظيفية متميزة تعمل على الـ DNA المستهدف. بالإضافة إلى قابلية التكوين، فإن TIGR مدمجة جدًا.

وفقًا لـ Feng Zhang، أستاذ علم الأعصاب في MIT، الذي سبق لفريقه تكييف أنظمة CRISPR البكتيرية إلى أدوات لتعديل الجينات واكتشاف العديد من البروتينات القابلة للبرمجة:

«هذا نظام موجّه بالـRNA شديد التنوع وله وظائف عديدة ومختلفة.» 

في عملهم الأخير، ركز الفريق على خاصية بنيوية في بروتين CRISPR‑Cas9 يرتبط بدليل الـ RNA للإنزيم. اكتشفوا أكثر من 20,000 بروتين Tas مختلف، وجربوا العشرات منها، وأظهروا أن بعضها يمكن برمجته لإجراء قطع مستهدفة في الـ DNA داخل خلايا بشرية. يخططون الآن لتطوير أنظمة TIGR‑Tas إلى أدوات قابلة للبرمجة.

العلماء يدرسون أيضًا تعديل الجينات لتصحيح التثلث الصبغي على المستوى الخلوي. نجحوا مؤخرًا في إزالة النسخ الزائدة من الكروموسوم 21 في خطوط خلايا متلازمة داون باستخدام CRISPR‑Cas9، مما أعاد التعبير الجيني الطبيعي.

تحدث متلازمة داون عندما يكون هناك نسخة إضافية من الكروموسوم 21. تؤثر هذه الحالة على حوالي 1 من كل 700 ولادة حية، وعلى الرغم من تشخيصها السهل في وقت مبكر، لا توجد حاليًا أي علاجات لها.

لكن الاختراق الأخير، الذي تم تحقيقه في خلايا مزروعة في المختبر، تمكن من إزالة الكروموسوم الزائد من خطوط خلايا التثلث الصبغي 21، والتي استُخرجت من كل من الخلايا الجذعية متعددة القدرات وخلايا الجلد الليفية، لتبقى نسخة واحدة من كل والد بدلاً من نسختين متطابقتين.

على الرغم من أنه غير جاهز للاستخدام في الكائنات الحية، إلا أنه يشير إلى إمكانية تطبيقه في الخلايا العصبية والخلايا الدبقية.

في مثال آخر، بنى علماء صينيون نظام تعديل جينات أكثر أمانًا باستخدام فيروسات مميتة مثل حمى الضنك لتحسين الكفاءة والسلامة. يستخدم النظام mRNA لتجنب خطر بقاء DNA أجنبي يسبب طفرات غير مرغوبة.

وفقًا لفريق البحث، نظام توصيل mRNA المُحسّن “يزيد من مرونة وإمكانية تطبيق تعديل الجينوم الخالي من الجينات المنقولة في النباتات.”

لذلك، أحدثت تقنية تعديل الجينات ثورة ليس فقط في علم الأحياء البشري بل أيضًا في الزراعة عبر تعديل DNA النبات لتعزيز الصفات المرغوبة مثل الغلات العالية.

في هذا الشهر فقط، اكتشف علماء من جامعة جونز هوبكنز ومختبر كولد سبرينغ هاربر الجينات الرئيسية التي تحدد حجم الفاكهة. يمكن التحكم في هذه الجينات باستخدام CRISPR، مما يمهد الطريق لإنتاج فواكه أكبر وأكثر نكهة.

يأتي هذا البحث كجزء من مبادرة أوسع لتحديد الجينومات الكاملة لـ 22 محصولًا من عائلة الباذنجان، بما في ذلك البطاطس والباذنجان والطماطم، لفهم وتعزيز صفاتها الجينية.

“بمجرد أن تقوم بتعديل الجينات، كل ما تحتاجه هو بذرة واحدة لبدء ثورة.”

– المؤلف المشارك مايكل شاتز، عالم وراثة في جامعة جونز هوبكنز

كل هذه التطورات تُظهر مدى تقدم التقنية، لكنها مجرد البداية. اكتشف باحثون في جامعة ديوك وجامعة ولاية كارولينا الشمالية الآن أنظمة CRISPR‑Cas جديدة تعزز قدرات تقنيات تعديل الجينات الحالية.

انقر هنا لتعرف كل شيء عن CRISPR‑Cas9. 

تقدم CRISPR: أنظمة جديدة تعزز دقة تعديل الجينات

منذ اكتشاف أنظمة CRISPR‑Cas لأول مرة في البكتيريا، تم تحديد العديد من الأُرثولوجات. الأُرثولوجات هي جينات تطورت من جين أساسي مشترك عبر حدث انقسام الأنواع. تتواجد في أنواع مختلفة وقد تحتفظ بنفس الوظيفة.

تم توصيف ما لا يقل عن ستة أنواع و33 نوعًا فرعيًا من الأُرثولوجات، ولكن على الرغم من ذلك، تُستخدم أنظمة النوع الثاني على نطاق واسع في التكنولوجيا الحيوية والبحوث الطبية. تستخدم هذه الأنظمة من النوع الثاني Cas9 لقطع الـ DNA.

سهولة إعادة برمجة مواقع هدف Cas9 جعلتها شائعة للغاية وأطلقت موجة من العلاجات المحتملة لتعديل الجينوم. 

مع ذلك، على الرغم من وفرة أنظمة CRISPR‑Cas9 البكتيرية، فإن القليل منها فعال في الخلايا البشرية، مما يحد من الإمكانات العامة لتقنية CRISPR.

هذا يخلق حاجة إلى أُرثولوجات إضافية من Cas9 لتوسيع نطاق تسلسلات الـ DNA القابلة للاستهداف. سيساعد ذلك أيضًا على تجاوز قيود حجم التوصيل وتحسين الدقة والكفاءة لتعديل الجينات باستخدام CRISPR‑Cas9.

لذا، استكشف الباحثون من جامعة ديوك وجامعة ولاية كارولينا الشمالية آلاف الجينومات البكتيرية للعثور على أنظمة CRISPR‑Cas جديدة واكتشفوا بعضها التي يمكن إضافتها إلى صندوق أدوات تعديل الجينات.

نُشرت الدراسة هذا الشهر في مجلة Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)²، مما يوسع بشكل فعال تأثير التقنية على البحث والطب والتكنولوجيا الحيوية.

“من المدهش حقًا أن أول أنظمة CRISPR‑Cas التي استخدمها الباحثون على الخلايا البشرية لا تزال هي الأكثر فعالية. أردنا استكشاف البكتيريا الموجودة في بيئات أكثر غموضًا للعثور على أنظمة CRISPR مختلفة قد تمتلك قدرات مختلفة.”

– تشارلي جيرسباخ، أستاذ الهندسة الطبية الحيوية في جامعة ديوك

من بين الجينومات البكتيرية المكتشفة حديثًا، يظهر نظام معين مشتق من بكتيريا عادةً ما توجد في أبقار الألبان واعدًا لصحة الإنسان.

يتيح هذا الفاعل المتعامد استهدافًا تكميليًا ومرنًا لتسلسلات جينية متنوعة لتعديل الجينات من الجيل التالي.

النظام أيضًا فعال للغاية، ومقارنًا بـ CRISPR‑Cas9 المستند إلى Streptococcus pyogenes الشائع الاستخدام. Streptococcus pyogenes هو النوع البكتيري الذي بُني عليه CRISPR‑Cas9 ومعظم الأبحاث اللاحقة التي تستخدم CRISPR.

وفقًا لرو Dolph Barrangou، أستاذ علوم الغذاء ومعالجة الأغذية والتغذية في جامعة ولاية كارولينا الشمالية:

“هناك تنوع أكبر بكثير في أنظمة CRISPR‑Cas في الطبيعة مما يقدره الناس، ويمكن أن يكون من المفيد جدًا استخراج فاعلات متنوعة ذات إمكانات وظيفية كآلات جزيئية.”

قبل عدة سنوات من حصول الورقة على جائزة نوبل، قام بارانغو بتوصيف CRISPR كنظام دفاع في البكتيريا المستخدمة في ثقافات بادئ الألبان، ومنذ ذلك الحين، يستكشف مختبره تنوعه لاستخدامه في البروبيوتيك، وتصنيع الأغذية، وتعديل جينومات الأشجار، وتغيير خصائص الخشب.

قال بارانغو ما يلي حول البحث الأخير:

“بينما أظهر بعض الفاعلات القائمة مثل SpyCas9 إمكانات كبيرة بالفعل في العيادات، نحتاج إلى توسيع صندوق أدوات CRISPR للتلاعب بالجيل التالي من الجينوم، والترانسكريبتوم، والإيبيجينوم.”

طور برنامجًا يُدعى “CRISPRdisco”، الذي يحدد أنظمة CRISPR‑Cas داخل قواعد بيانات ضخمة للجينومات البكتيرية. ساعد البرنامج الباحثين في تحديد أكثر من 1000 نظام CRISPR غير مستكشف.

قصر الباحثون تلك الأنظمة إلى 50 مرشحًا فقط لتقوم مختبر جيرسباخ بتطويرها.

عند اختبار هذه الأنظمة في خلايا بشرية لتقييم قدراتها كمنشطات جينية، وكابحات، ومحررات جينية وإيبيجينية، برزت أربعة أنظمة بفضل نجاحاتها الفردية.

كان أحدها (SubCas9) ملحوظًا بشكل خاص لتعدد استخداماته. هذا المكوّن الواعد من CRISPR موجود في بكتيريا Streptococcus uberis، التي توجد عادةً في أبقار الألبان وتُستخدم أيضًا في بعض منتجات البروبيوتيك البشرية.

يتحمس الباحثون بشأن SubCas9 لعدة أسباب. أولًا، حجم النظام الجديد صغير — أصغر من المقص الجزيئي DNA التقليدي المستخدم كـ Cas9 — مما يسهل توصيله إلى الخلايا البشرية.

بالإضافة إلى ذلك، يمكنه استهداف تسلسلات جينية فريدة لا يمكن للأنظمة الأخرى الوصول إليها، بما في ذلك النظير الأصلي.

عادةً ما يعمل Cas9 على أهداف جينية بجوار تسلسل DNA ‘GG’، وهو “تسلسل DNA شائع إلى حد ما”. ومع ذلك، إذا لم يكن هناك GG قريب، يلزم بديل، والنظام الجديد يوفر ذلك عبر العمل على المواقع المجاورة لأنماط “AATA” أو “AGTA”.

“يمكن لهذا النظام أن يمنح الباحثين مرونة في استخدام Cas9s مختلفة عندما يحتاجون إلى دقة عالية في اختيار موقع الهدف.”

– غابي باترفيلد، الباحث ما بعد الدكتوراه في مختبر جيرسباخ

بالإضافة إلى ذلك، من غير المرجح أن يتعرف عليه الجهاز المناعي البشري لأن S. uberis لا توجد عادةً في البشر. وهذا يختلف عن الأنواع البكتيرية التي تُستخدم لعزل بروتينات Cas9 الأكثر شيوعًا.

لذا، إذا استُخدم في تطبيق علاجي، فإن أنظمة المناعة لدى معظم الناس لن تتعرف على SubCas9 من تعرض طبيعي سابق.

“إلى جانب الإمكانات العلاجية، نُقدّر أيضًا أن البكتيريا التي تكيفت مع بيئات متنوعة تحمل فاعلات أكثر ملاءمة لأنواع مختلفة من المضيفين، مع إمكانات كبيرة لاكتشاف أنظمة أكثر ملاءمة للنباتات والماشية والتطبيقات البيئية.”

– بارانغو

في الخطوة التالية، سيبحث الباحثون في قدرة SubCas9 على تجاوز المناعة المسبقة كما يتوقعون. كما يجرون اختبارات لإدماجه في عدد من العلاجات الخلوية والجينية. قد يعود الباحثون أيضًا إلى قواعد البيانات الضخمة للميتاجينوم البكتيري للعثور على مزيد من أنظمة CRISPR للتحقيق.

بشكل عام، تمثل التطورات الأخيرة في تعديل الجينات باستخدام CRISPR‑Cas9 اختراقًا كبيرًا يمكنه تحسين تقنيات العلاج الجيني بشكل ملحوظ، مما يسمح بعلاجات أكثر دقة وكفاءة للاضطرابات الجينية والسرطانات وغيرها من الأمراض.

نظرًا للوتيرة السريعة لأبحاث CRISPR، قد يتم دمج هذه الأنظمة الجديدة في التطبيقات السريرية خلال السنوات 3 إلى 5 القادمة، رهناً بمزيد من التحقق والموافقات التنظيمية.

شركة مبتكرة

Editas Medicine, Inc.

Editas Medicine (EDIT ) هي شركة رائدة في تعديل الجينوم تركز على تطوير علاجات قائمة على CRISPR لعلاج مجموعة من الأمراض الخطيرة.

وهي شركة لتعديل الجينوم في المرحلة السريرية تعمل على تطوير أدوية لتعديل الجينات تُعطى داخل الجسم، حيث يُحقن العلاج مباشرةً في جسم المريض لتعديل الخلايا داخله. وقال الرئيس التنفيذي Gilmore O’Neill، الحاصل على درجتي M.B. وM.M.Sc، في وقت سابق من هذا الشهر أثناء عرضه مستجدات الأعمال:

“هدفنا واستراتيجيتنا لتصبح رائدة في تعديل الجينات داخل الجسم تسارعت في الربع الرابع بعد أن حققنا دليل مفهوم ما قبل السريري داخل الجسم قبل الموعد المحدد وشاركنا بيانات إيجابية قبل سريرية داخل الجسم تُظهر إمكانات تقنية منصتنا لتحقيق رفع مستوى التعبير الجيني، أو تضخيم تعبير بروتين موجود للوصول إلى مستويات ذات صلة سريريًا قد تُحقق شفاءً عبر الأنسجة بجرعة واحدة.” 

في وقت كتابة هذا المقال، تُتداول أسهم الشركة ذات القيمة السوقية 117 مليون دولار بسعر 1.41 دولار، بارتفاع 11.02٪ منذ بداية العام. ربح السهم (TTM) هو -2.88، ونسبة السعر إلى الأرباح (TTM) هي -0.48.

في وقت سابق من هذا الشهر، أعلنت الشركة عن نتائجها المالية للربع الرابع والسنة الكاملة 2024. كان صافي الخسارة 45.4 مليون دولار، أي 0.55 دولار للسهم، وهو أكبر بكثير من 18.9 مليون دولار المسجلة في الربع الرابع من 2023. 

انخفضت الإيرادات إلى 30.6 مليون دولار، وزادت نفقات البحث والتطوير إلى 48.6 مليون دولار خلال هذه الفترة.

في نهاية عام 2024، كان لدى الشركة 269.9 مليون دولار في النقد والنقد المعادل والأوراق المالية القابلة للتسويق، وهو ما يمثل تحسنًا طفيفًا مقارنةً بنهاية الربع السابق. وفقًا لإعلان الشركة، تتوقع أن تمول هذه الأموال، إلى جانب الأجزاء المحتفظ بها من المدفوعات المستحقة بموجب اتفاقية الترخيص مع Vertex Pharmaceuticals (VRTX ) ، كل من النفقات التشغيلية والنفقات الرأسمالية حتى الربع الثاني من عام 2027.

بالنسبة للسنة الكاملة 2024، كان صافي الخسارة 237.1 مليون دولار، أي 2.88 دولار للسهم، وانخفضت إيرادات التعاون إلى 32.3 مليون دولار، وزادت نفقات البحث والتطوير إلى 199.2 مليون دولار، وزادت النفقات العامة والإدارية إلى 72 مليون دولار، وكانت رسوم إعادة الهيكلة 12.2 مليون دولار.

تشمل إنجازات الشركة الأخيرة إظهار دليل مفهوم ما قبل السريري (PoC) في فئران مُحَوَّلة للإنسان ورئيسيات غير بشرية.

قالت المديرة التقنية ليندا سي. بوركلي، د.ف., إن ذلك يُظهر قدرة الشركة على “تحقيق تعديل الجينات داخل الجسم عبر رفع مستوى التعبير الجيني لزيادة مستوى بروتين فعال لمعالجة الأمراض الناجمة عن فقدان الوظيفة أو الطفرات الضارة.” كما شاركت إمكانات استراتيجية رفع التعبير الجيني عبر أنسجة متعددة من خلال برنامج ‘plug ‘n play’.

كما أفادت Editas بأنها على المسار الصحيح للإعلان عن مرشح تطوير داخل الجسم لخلايا الجذعية الدموية وخلايا الكبد في منتصف عام 2025، وبنهاية العام، تهدف إلى مشاركة المزيد من بيانات ما قبل السريري داخل الجسم للـ HSC والكبد.

في ظل ذلك، أنهت الشركة برنامجها reni‑cel لعلاج مرض الخلايا المنجلية (SCD) بعد فشل بحثها المكثف في الحصول على شريك تجاري. مع هذه الخطوة، بدأت الشركة إجراءات لتوفير التكاليف، حيث ستقلل عدد موظفيها بنسبة 65٪، أي حوالي 180 وظيفة.

آخر الأخبار عن Editas Medicine, Inc.

الخلاصة

على مدار العقد الماضي، أحدثت تقنيات CRISPR ثورة في التكنولوجيا الحيوية من خلال تمكين تعديل الجينوم. لقد خلقت فرصًا جديدة ومتنوعة للبحث الطبي الحيوي، وتعديل الجينوم العلاجي، وتعديل الإيبيجينوم. 

ومع ذلك، تواجه الأساليب الحالية قيودًا بسبب تركيزها غير المتناسب على فاعل Cas9 واحد مع كفاءة مختارة وتحديد هدف محدود. 

يُعد اكتشاف أنظمة CRISPR‑Cas الجديدة تقدمًا كبيرًا في تعديل الجينات. من خلال توسيع الدقة والكفاءة وتعدد الاستخدامات للتقنيات الحالية، تعد الدراسة الأخيرة بعلاجات أكثر استهدافًا للاضطرابات الجينية وتحسين النتائج الزراعية. مع تحسين الباحثين لهذه الأنظمة، بمجرد تبنيها في العالم الحقيقي، قد يفتح الجيل التالي من تعديل الجينات آفاقًا جديدة في الطب والتكنولوجيا الحيوية!

انقر هنا للحصول على قائمة بأهم شركات CRISPR للاستثمار فيها.