From the smallest single-celled organism to the largest creatures on earth, every living thing is defined by its genes. The DNA contained in our genes acts like an instruction manual for our cells. Four building blocks called bases are strung together in precise sequences, which tell the cell how to behave and form the basis for our every trait. But with recent advancements in gene editing tools, scientists can change an organism’s fundamental features in record time. They can engineer drought-resistant crops and create apples that don’t brown. They might even prevent the spread of infectious outbreaks and develop cures for genetic diseases. CRISPR is the fastest, easiest, and cheapest of the gene editing tools responsible for this new wave of science. But where did this medical marvel come from? How does it work? And what can it do?
از کوچکترین موجود تک سلولی تا بزرگترین موجودات روی کره زمین، هر چیز زنده ای با ژن هایش تعریف می شود. DNA که در ژن ما است مثل دفترچه راهنما برای سلول ها عمل می کند. چهار واحد سازنده که" باز" نام دارند در توالی های دقیقی مرتب شده اند، به سلول می گویند چگونه عمل کند و اساس هر یک از ویژگیهای ما را می سازند. اما با پیشرفتهای اخیر در ابزارهای ویرایش ژن دانشمندان می توانند ویژگیهای پایه یک ارگانیسم را در کمترین زمان تغییر دهند. آنها می توانند محصولات مقاوم به خشک سالی را مهندسی کنند و سیب هایی بسازند که تیره نمی شوند. ممکن است حتی بتوانند از شیوع یک عفونت جلوگیری کنند و درمان هایی برای بیماری های ژنتیکی فراهم کنند. CRISPR سریعترین، آسانترین و ارزانترین ابزار ویرایش ژن هست که باعث ایجاد موج جدیدی از علم شده است. اما این اعجوبه پزشکی از کجا آمده؟ چگونه کار می کند؟ و چه کارهایی می تواند انجام دهد؟
Surprisingly, CRISPR is actually a natural process that’s long functioned as a bacterial immune system. Originally found defending single-celled bacteria and archaea against invading viruses, naturally occurring CRISPR uses two main components. The first are short snippets of repetitive DNA sequences called “clustered regularly interspaced short palindromic repeats,” or simply, CRISPRs. The second are Cas, or “CRISPR-associated” proteins which chop up DNA like molecular scissors. When a virus invades a bacterium, Cas proteins cut out a segment of the viral DNA to stitch into the bacterium’s CRISPR region, capturing a chemical snapshot of the infection. Those viral codes are then copied into short pieces of RNA. This molecule plays many roles in our cells, but in the case of CRISPR, RNA binds to a special protein called Cas9. The resulting complexes act like scouts, latching onto free-floating genetic material and searching for a match to the virus. If the virus invades again, the scout complex recognizes it immediately, and Cas9 swiftly destroys the viral DNA.
جالب است که CRISPR یک فرایند طبیعی است که مدت طولانی به عنوان سیستم ایمنی باکتریایی عمل کرده است. اساسا، به عنوان مدافع باکتری های تک سلولی و آرکی باکتری ها در مقابل ویروس های مهاجم عمل می کند. به طور طبیعی CRISPR از دو قسمت تشکیل شده: قسمت اول قسمتهای کوچکی از توالیهای تکرار شونده ی DNA است که "تناوب هایِ کوتاهِ پالیندرومِ فاصلهدارِ منظمِ خوشه ای" یا به شکل ساده تر CRISPR نامیده می شود. قسمت دوم Cas یا CRISPR associated protein یا پروتئین همراه CRISPR نام دارد که DNA را همانند قیچی مولکولی می برد. زمانی که ویروس به باکتری حمله می کند، پروتئین Cas قسمتی از DNA ویروس را می برد تا به منطقه ی CRISPR در DNA ی باکتری بخیه بزند تا تصویری شیمیایی از عفونت ایجاد کند. و بعد، آن کدهای ویروسی به تکه های کوچکی از RNA رونویسی می شوند. RNA نقش های مختلفی در سلول های ما دارد اما درمورد CRISPR RNA به یک پروتئین مخصوص به نام Cas9 وصل می شود. کمپلکس حاصل شبیه یک دیده بان عمل می کند که به مواد ژنتیکی آزاد و معلق می چسبد و برای وجود مشابهت با ویروس جست و جو می کند. اگر ویروس دوباره حمله کند، کمپلکس دیده بان فورا آن را شناسایی می کند و Cas9 سریعا DNA ویروس را از بین می برد.
Lots of bacteria have this type of defense mechanism. But in 2012, scientists figured out how to hijack CRISPR to target not just viral DNA, but any DNA in almost any organism. With the right tools, this viral immune system becomes a precise gene-editing tool, which can alter DNA and change specific genes almost as easily as fixing a typo.
باکتری های زیادی دارای این نوع از سیستم ایمنی هستند. اما در۲۰۱۲ دانشمندان متوجه شدند چطور از CRISPR استفاده کنند تا تنها DNA ویروسی را مورد هدف قرار ندهد بلکه هر DNA ای در تقریبا هر ارگانیسمی هدف آن باشد. با ابزارهای درست، این سیستم ایمنی ویروسی یک ابزار تغییر ژن با ارزش می شود که می تواند DNA را عوض کند و ژن های مشخصی را تغییر دهد؛ به آسانی درست کردنِ یک غلط تایپی.
Here’s how it works in the lab: scientists design a “guide” RNA to match the gene they want to edit, and attach it to Cas9. Like the viral RNA in the CRISPR immune system, the guide RNA directs Cas9 to the target gene, and the protein’s molecular scissors snip the DNA. This is the key to CRISPR’s power: just by injecting Cas9 bound to a short piece of custom guide RNA scientists can edit practically any gene in the genome.
این، نحوه ی کار آن در آزمایشگاه است: دانشمندانRNA راهنمایی طراحی می کنند که مکمل ژنی باشد که می خواهند ویرایش کنند و آن را به Cas9 متصل می کنند. مثل DNA ویروسی در سیستم ایمنی CRISPR، RNA راهنما ،Cas9 را به سمت ژن مورد نظر راهنمایی می کند، و قیچی های مولکولی از جنس پروتئین DNA را برش می دهند. این کلید قدرت CRISPR هست: با اتصال Cas9 به یک قطعه کوتاه RNA راهنما دلخواه، دانشمندان می توانند در عمل هر ژنی در ژنوم را ویرایش کنند.
Once the DNA is cut, the cell will try to repair it. Typically, proteins called nucleases trim the broken ends and join them back together. But this type of repair process, called nonhomologous end joining, is prone to mistakes and can lead to extra or missing bases. The resulting gene is often unusable and turned off. However, if scientists add a separate sequence of template DNA to their CRISPR cocktail, cellular proteins can perform a different DNA repair process, called homology directed repair. This template DNA is used as a blueprint to guide the rebuilding process, repairing a defective gene or even inserting a completely new one.
زمانی که DNA بریده شد، سلول تلاش می کند آن را تعمیر کند. معمولا، پروتئین هایی که نوکلئاز نام دارند انتهای شکسته را اصلاح می کنند و آن ها رابه هم متصل می کنند. اما این فرایند اصلاح، که اتصال انتهاهای غیرهمولوگ نام دارد مستعد خطاست و می تواند باعث از دست رفتن برخی بازها یا اضافه شدن بازهای اضافی شود. ژن حاصل از تعمیر، معمولا غیر قابل استفاده است و خاموش می شود اما اگر دانشمندان قطعه ی DNA دیگری به عنوان الگو به مخلوط CRISPR اضافه کنند پروتئین های سلولی می توانند فرایند تعمیر DNA متفاوتی را شروع کنند که ترمیم هدایت یافته با همولوگ نام دارد. DNA الگو می تواند به عنوان یک برنامه برای فرایند بازطراحی استفاده شود تا ژن معیوب ترمیم شود یا یک ژن کاملا جدید جایگزین شود.
The ability to fix DNA errors means that CRISPR could potentially create new treatments for diseases linked to specific genetic errors, like cystic fibrosis or sickle cell anemia. And since it’s not limited to humans, the applications are almost endless. CRISPR could create plants that yield larger fruit, mosquitoes that can’t transmit malaria, or even reprogram drug-resistant cancer cells. It’s also a powerful tool for studying the genome, allowing scientists to watch what happens when genes are turned off or changed within an organism.
توانایی اصلاح خطاهای DNA به این معناست که CRISPR بالقوه می تواند درمانهای جدیدی برای بیماری هایی فراهم کند که به خطاهای ژنتیکی مرتبط اند مثل سیستیک فیبروزیس یا کم خونی داسی شکل. و چون محدود به انسانها نیست کاربرد آن تقریبا نامحدود است. CRISPR می تواند گیاهانی ایجاد کند که میوه های بزرگ تری تولید می کنند پشه هایی که نمی توانند مالاریا را منتقل کنند، یا طراحی دوباره سلول های سرطانی که به دارو مقاوم شده اند. همینطور ابزار قدرتمندی برای مطالعه ی ژنوم است، که به دانشمندان اجازه ی دهد ببینند چه اتفاقی می افتد وقتی یک ژن خاموش می شود یا تغییر می کند.
CRISPR isn’t perfect yet. It doesn’t always make just the intended changes, and since it’s difficult to predict the long-term implications of a CRISPR edit, this technology raises big ethical questions. It’s up to us to decide the best course forward as CRISPR leaves single-celled organisms behind and heads into labs, farms, hospitals, and organisms around the world.
CRISPR هنوز ایده آل نیست، همیشه تغییر مورد نظر را ایجاد نمی کند. و چون دشوار است پیامدهای طولانی مدت ویرایش با CRISPR را پیش بینی کرد، این تکنولوژی، سوالهای اخلاقی زیادی ایجاد می کند. بستگی به ما دارد که بهترین مسیر پیش رو را انتخاب کنیم زیرا که CRISPR تک سلولی ها را پشت سر می گذارد و وارد آزمایشگاه ها، مزرعه ها،بیمارستان ها و ارگانیسم ها در سراسر جهان می شود.