پژوهشگران با توسعه یک روش نوین غربالگری ژنتیکی موفق شدند امکان دستکاری یکنواخت ژنهای منفرد در سراسر بافتهای انسانی را فراهم کنند. این دستاورد میتواند شناخت دانشمندان از فرآیند رشد جنین انسان را به شکل چشمگیری افزایش دهد.
به گزارش نیوز مدیکال، نتایج این پژوهش که در مجله eLife منتشر شده است از سوی سردبیران این نشریه بهعنوان یک دستاورد فنی برجسته توصیف شده است. به گفته آنها این مطالعه از نخستین پژوهشهایی است که با استفاده از مدلهای جنینی دانش جدیدی درباره رشد انسان ارائه میدهد.
مطالعه مستقیم فرآیندهای ژنتیکی در انسان و سایر جانوران همواره با محدودیتهای اخلاقی و عملی همراه بوده است. به همین دلیل پژوهشگران از ارگانوئیدها (انداموارهها) بهعنوان مدلهای آزمایشگاهی استفاده میکنند. ارگانوئیدها ساختارهای سهبعدی کوچکی هستند که از سلولهای بنیادی پرتوان انسانی (hPSCs) تولید میشوند و قابلیت تبدیل به انواع مختلف بافتهای بدن را دارند.
با این حال تاکنون حذف یا غیرفعالسازی یک ژن در این مدلها معمولا باعث ایجاد الگویی موزاییکی از سلولهای ویرایششده و ویرایشنشده میشد، موضوعی که بررسی دقیق شکلگیری و رشد هماهنگ کل بافت را غیرممکن میکرد.
رویا هوانگ یکی از نویسندگان نخست این مطالعه که در زمان انجام پژوهش در آزمایشگاه شاراد راماناتان در دانشگاه هاروارد فعالیت میکرد گفت: توانایی ایجاد تغییر در یک ژن منفرد در مدلهای آزمایشگاهی رشد انسان برای درک سازوکارهای شکلگیری جنین ضروری است، اما تاکنون به دلیل تنوع در رشد ارگانوئیدها و نبود روشهای مقیاسپذیر برای ویرایش یکنواخت ژنها این هدف دستیافتنی نبود.
وی افزود: پژوهشگران روشی ابداع کردند که در آن غلظت بالایی از ویروس در حجم بسیار کم مستقیما به سلولهای بنیادی افزوده میشود. این روش امکان خاموشسازی یکنواخت ژنها را در سراسر یک ارگانوئید فراهم کرده و فرآیند ویرایش ژنتیکی را سادهتر و کارآمدتر میکند.
به گفته گیریدار آناند دیگر نویسنده نخست این پژوهش روشهای رایج ویرایش ژنی مبتنی بر CRISPR مستلزم چندین مرحله متوالی برای اصلاح پلاسمیدها و سپس جداسازی و تکثیر کلونهای مناسب هستند، فرآیندی که زمان و هزینه زیادی به همراه دارد.
محققان در روش جدید چندین مرحله را بهطور همزمان انجام دادند و در همان ابتدای کار با استفاده از یک مرحله خالصسازی دقیق DNA اطمینان حاصل کردند که بخش عمده پلاسمیدها بهدرستی مهندسی شدهاند. به این ترتیب دیگر نیازی به انتخاب و تکثیر کلونهای جداگانه نبود و پلاسمیدهای تولیدشده مستقیماً درون ویروسها بستهبندی و به سلولهای ارگانوئید منتقل شدند.
پژوهشگران همچنین برای افزایش غلظت ویروس شرایط رشد آن را بهینهسازی کردند. آنها دریافتند کاهش حجم محیط کشت سلولها باعث افزایش تولید ویروس میشود. علاوه بر این، افزودن ویروس همزمان با کاشت سلولهای بنیادی روی محیط کشت نسبت به روش رایج که در آن ویروس پس از استقرار سلولها اضافه میشود، جذب بسیار بیشتری ایجاد میکند.
این تغییرات سبب شد تقریبا تمامی سلولهای بنیادی پرتوان انسانی ویروس را دریافت کنند و ویرایش ژنتیکی بهصورت یکنواخت در کل ارگانوئید انجام شود.
تیم تحقیقاتی همچنین روشی طراحی کرد که با استفاده از آن پلاسمیدهای مختلف هر یک حاوی توالی ژنتیکی متفاوت به کلونیهای جداگانهای از سلولها روی یک اسلاید میکروسکوپی منتقل میشوند. این سلولها سپس به انواع مختلف ارگانوئید تبدیل شدند که هر کدام دارای یک تغییر ژنتیکی مشخص در تمام سلولهای خود بودند.
برای ارزیابی کارایی این فناوری، پژوهشگران ۲۰ ژن را که تصور میشد در یکی از مهمترین مراحل رشد مغز نقش دارند انتخاب کردند. این مرحله شامل بسته شدن صفحه عصبی و تشکیل لوله عصبی است؛ ساختاری که در صورت شکل نگرفتن صحیح، ناهنجاری مادرزادی مرگباری به نام آنانسفالی ایجاد میشود. در این اختلال نوزاد بدون تشکیل کامل بخش جلویی مغز و مخ متولد میشود.
علاوه بر این ۲۰ ژن محققان ۵۷ ژن دیگر را که ارتباط ضعیفتری با رشد عصبی داشتند نیز بررسی کردند. آنها پس از وارد کردن پلاسمیدهای مربوطه به سلولهای بنیادی و تبدیل این سلولها به ارگانوئیدهای لوله عصبی نمونهها را با نشانگرهای اختصاصی بافت عصبی رنگآمیزی کرده و ساختار آنها را زیر میکروسکوپ مورد بررسی قرار دادند.
نتایج نشان داد خاموشسازی سه ژن ZIC۲، SOX۱۱ و ZNF۵۲۱ باعث ایجاد نقصهای شدید در بسته شدن لوله عصبی میشود. در ارگانوئیدهایی که ژنهای ZIC۲ و SOX۱۱ غیرفعال شده بودند، صفحه عصبی کاملا باز باقی مانده بود در حالی که در ارگانوئیدهای فاقد ZNF۵۲۱ چندین نقطه بستهشدن ناقص مشاهده شد.
در مرحله بعد پژوهشگران الگوی بیان ژنها را بررسی کردند تا مشخص شود خاموش شدن این سه ژن چه تاثیری بر سایر ژنها دارد. آنها دریافتند مجموعهای از ژنها در ارگانوئیدهای فاقد ZIC۲ و SOX۱۱ فعالیت کمتری دارند در حالی که همین ژنها در ارگانوئیدهای فاقد ZNF۵۲۱ فعالتر هستند.
با این حال خاموشسازی جداگانه هیچیک از این ژنهای پاییندستی نتوانست همان نقص شدید بسته شدن لوله عصبی را ایجاد کند. این یافته نشان میدهد ژنهای ZIC۲، SOX۱۱ و ZNF۵۲۱ احتمالاً از طریق تنظیم همزمان مجموعهای از ژنهای دیگر فرآیند بسته شدن لوله عصبی و شکلگیری صحیح مغز جنین را هدایت میکنند.
به اعتقاد پژوهشگران این فناوری جدید میتواند مسیر انجام غربالگریهای ژنتیکی گستردهتر را هموار کرده و در آینده به درک بهتر بیماریهای مادرزادی، اختلالات رشد جنین و توسعه روشهای درمانی نوین کمک کند.
انتهای پیام/