13 اکتبر 2023 -توسط جنیفر میکالوفسکی، موسسه فناوری ماساچوست-اعتبار: CC0 دامنه عمومی
مجموعه متنوعی از گونه‌ها، از حلزون‌ها گرفته تا جلبک‌ها و آمیب‌ها، آنزیم‌های برش‌کننده DNA قابل برنامه‌ریزی به نام Fanzors می‌سازند و یک مطالعه جدید از دانشمندان موسسه تحقیقات مغز مک گاورن MIT هزاران مورد از آنها را شناسایی کرده است. فنزورها آنزیم‌های هدایت‌شونده RNA هستند که می‌توانند برای برش DNA در مکان‌های خاص برنامه‌ریزی شوند، دقیقاً شبیه آنزیم‌های باکتریایی که سیستم ویرایش ژنی که به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد به نام CRISPR را تامین می‌کنند. تنوع تازه شناخته شده آنزیم های طبیعی Fanzor که در 27 سپتامبر در مجله Science Advances گزارش شده است، مجموعه گسترده ای از آنزیم های قابل برنامه ریزی را در اختیار دانشمندان قرار می دهد که ممکن است با ابزارهای جدیدی برای تحقیق یا پزشکی سازگار شوند.
عمر ابودایه، یکی از همکاران مک گاورن، که به همراه جاناتان گوتنبرگ، همکار مک گاورن، پژوهش را رهبری می کرد، می گوید: “زیست شناسی هدایت شده با RNA چیزی است که به شما امکان می دهد ابزارهای قابل برنامه ریزی بسازید که استفاده از آنها واقعا آسان است. بنابراین هرچه بیشتر بتوانیم پیدا کنیم، بهتر است.”
CRISPR، یک سیستم دفاعی باکتریایی باستانی، روشن کرده است که آنزیم های هدایت شده با RNA زمانی که برای استفاده در آزمایشگاه سازگار شوند، چقدر مفید هستند. ابزارهای ویرایش ژنوم مبتنی بر CRISPR که توسط پروفسور MIT و محقق مک گاورن، Feng Zhang، Abudayyeh، Gootenberg و دیگران ایجاد شده‌اند، روش دانشمندان را برای اصلاح DNA تغییر داده‌اند، تحقیقات را تسریع کرده و توسعه بسیاری از ژن‌درمانی‌های تجربی را امکان‌پذیر کرده‌اند.
از آن زمان محققان دیگر آنزیم های راهنمای RNA را در سراسر جهان باکتریایی کشف کردند که بسیاری از آنها ویژگی هایی دارند که آنها را در آزمایشگاه ارزشمند می کند. کشف Fanzors، که توانایی آن در برش DNA به روشی با هدایت RNA توسط گروه Zhang در اوایل سال جاری گزارش شد، مرز جدیدی را در زیست شناسی هدایت شده با RNA باز می کند. فنزورها اولین آنزیم‌هایی بودند که در ارگانیسم‌های یوکاریوتی یافت شدند – گروه وسیعی از شکل‌های حیات، از جمله گیاهان، حیوانات و قارچ‌ها که توسط هسته متصل به غشاء که مواد ژنتیکی هر سلول را نگه می‌دارد، تعریف می‌شوند. (باکتری ها که فاقد هسته هستند به گروهی به نام پروکاریوت ها تعلق دارند.)
گوتنبرگ می‌گوید: «مردم برای مدت طولانی در جستجوی ابزارهای جالب در سیستم‌های پروکاریوتی بوده‌اند، و من فکر می‌کنم که این کار فوق‌العاده مثمرثمر بوده است». سیستم‌های یوکاریوتی در واقع نوع جدیدی از زمین بازی برای کار کردن هستند.
ابودایه و گوتنبرگ می‌گویند که یک امید این است که آنزیم‌هایی که به طور طبیعی در موجودات یوکاریوتی تکامل یافته‌اند، برای عملکرد ایمن و کارآمد در سلول‌های دیگر موجودات یوکاریوتی، از جمله انسان، مناسب‌تر باشند. گروه ژانگ نشان داده است که آنزیم های Fanzor را می توان برای برش دقیق توالی DNA خاص در سلول های انسانی مهندسی کرد. در کار جدید، ابودایه و گوتنبرگ کشف کردند که برخی از فنزورها می توانند توالی DNA را در سلول های انسانی حتی بدون بهینه سازی هدف قرار دهند. گوتنبرگ می‌گوید: «این حقیقت که آنها در سلول‌های پستانداران کاملاً کارآمد عمل می‌کنند واقعاً شگفت‌انگیز بود.
قبل از مطالعه فعلی، صدها فنزور در میان موجودات یوکاریوتی یافت شده بود. از طریق جستجوی گسترده در پایگاه‌های داده ژنتیکی به رهبری جاستین لیم، عضو آزمایشگاه، تیم گوتنبرگ و ابودایه اکنون تنوع شناخته شده این آنزیم‌ها را با مرتبه‌ای بزرگ گسترش داده‌اند.
از میان بیش از 3600 فنزور که این تیم در یوکاریوت ها و ویروس هایی که آنها را آلوده می کنند، یافتند، محققان توانستند پنج خانواده مختلف از آنزیم ها را شناسایی کنند. با مقایسه ترکیب دقیق این آنزیم ها، آنها شواهدی از تاریخچه طولانی تکامل پیدا کردند.
فنزورها احتمالاً از آنزیم‌های باکتری برش دهنده DNA با هدایت RNA به نام TnpBs تکامل یافته‌اند. در واقع، شباهت های ژنتیکی فنزورس به این آنزیم های باکتریایی بود که برای اولین بار توجه هم گروه ژانگ و هم تیم گوتنبرگ و ابودایه را به خود جلب کرد.
پیوندهای تکاملی که گوتنبرگ و ابودایه ردیابی کردند نشان می‌دهد که این پیشینیان باکتریایی فنزورس احتمالاً بیش از یک بار وارد سلول‌های یوکاریوتی شده و تکامل خود را آغاز کرده‌اند. برخی احتمالاً توسط ویروس ها منتقل شده اند، در حالی که برخی دیگر ممکن است توسط باکتری های همزیست معرفی شده باشند. این تحقیق همچنین نشان می‌دهد که پس از جذب یوکاریوت‌ها، آنزیم‌ها ویژگی‌های مناسب با محیط جدید خود را تکامل دادند، مانند سیگنالی که به آنها اجازه می‌دهد وارد هسته سلولی شوند، جایی که به DNA دسترسی دارند.
از طریق آزمایش‌های ژنتیکی و بیوشیمیایی به رهبری دانشجوی فارغ‌التحصیل مهندسی بیولوژیک، کای جیانگ، تیم تشخیص داد که فنزورها یک سایت فعال برش DNA را ایجاد کرده‌اند که از پیشینیان باکتریایی آنها متمایز است. به نظر می رسد این به آنزیم اجازه می دهد تا توالی هدف خود را با دقت بیشتری برش دهد. اجداد TnpB، هنگامی که دنباله ای از DNA در یک لوله آزمایش را هدف قرار می دهند، فعال می شوند و سایر توالی ها را در لوله برش می دهند. فنزورها فاقد این فعالیت نابخردانه هستند. هنگامی که آنها از یک راهنمای RNA برای هدایت آنزیم ها برای برش مکان های خاص در ژنوم سلول های انسانی استفاده کردند، دریافتند که Fanzors خاصی می تواند این توالی های هدف را با بازدهی حدود 10 تا 20 درصد برش دهد.
با تحقیقات بیشتر، ابودایه و گوتنبرگ امیدوارند که متفاوت باشد.
ابزارهای پیچیده ویرایش ژنوم را می توان از Fanzors توسعه داد. گوتنبرگ می گوید: «این یک پلت فرم جدید است و آنها قابلیت های زیادی دارند.
ابودایه می‌افزاید: «گشودن کل جهان یوکاریوتی به روی این نوع سیستم‌های هدایت‌شونده RNA به ما کمک زیادی می‌کند تا روی آن کار کنیم.»
