تحرير الجينات · global
الـRNA الجسري يكشف «المسار أحادي الاتجاه» لإدخال الـDNA: بنية IS621 تشير إلى إمكانية تحرير مقاطع كبيرة قابل للبرمجة
فكك فريق بحثي نظام إعادة التركيب البكتيري IS621 باستخدام المجهر الإلكتروني فائق البرودة والتجارب الكيميائية الحيوية، ووجد أن بنية الـDNA واقتران الـRNA يعملان معًا على خفض تفاعل الاستئصال؛ وبعد إعادة تصميم الـRNA الجسري، أمكن إضعاف هذا العائق الطبيعي بدرجة كبيرة، لكن لا يزال هناك طريق ينبغي قطعه للوصول إلى تحرير موثوق في الخلايا البشرية.
لكي يتمكن تحرير الجينات من إدخال جين كامل أو تسلسل تنظيمي كبير دفعة واحدة، لا يكفي أن يكون «القطع دقيقًا»، بل يجب أيضًا إيصال مقطع كبير من الـDNA إلى موقع محدد. وتُقدّم دراسة منشورة في مجلة 《Nature》 تحليلًا أعمق لنظام إعادة التركيب الجسري البكتيري IS621، موضحةً سبب ميله الفطري إلى الإدخال بدلًا من الاستئصال، كما تطرح مؤشرات لتصميم RNA يتيح تعديل اتجاه التفاعل.
ينتمي IS621 إلى عائلة العناصر الجينية المتنقلة IS110. ويجب أولًا استئصاله من الكروموسوم البكتيري ليكوّن DNA دائريًا، ثم يُدرج في موقع جديد؛ أما الـRNA الجسري المسؤول عن التعرّف على مجموعتي الـDNA، فيحتوي على مناطق يمكنها الاقتران بصورة منفصلة مع تسلسلي الهدف والمتبرع. وتكمن المشكلة في أن المحفز القوي للـRNA الجسري لا يكتمل تكوينه إلا بعد تحوّل العنصر إلى بنية دائرية، ما يبدو كأنه يوقع النظام في حلقة: «هل يأتي الـRNA أولًا، أم يكتمل الاستئصال أولًا؟»
وجد فريق البحث في سلالة شائعة من الإشريكية القولونية تحتوي على ثلاث نسخ من IS621 أن العنصر الخطي لا يزال قادرًا، عبر مقدار منخفض من النسخ المتجاوز لنقطة التوقف، على إنتاج الـRNA الجسري وإنزيم إعادة التركيب بكمية تكفي لبدء أحداث استئصال نادرة. وتمحور شرح الدراسة الصادر عن جامعة طوكيو حول هذه الآلية أيضًا: إذ تتيح كمية صغيرة من الـRNA انفصال العنصر أولًا عن الكروموسوم؛ وبعد تحوّله إلى بنية دائرية، يرفع المحفز المعاد تكوينه تعبير الـRNA وإنزيم إعادة التركيب، ما يدفع عملية الإدخال اللاحقة.
أظهرت التجارب الكيميائية الحيوية أن اتجاهية النظام الطبيعي شديدة اللاتناظر. ففي مجموعة من الظروف المختبرية، بلغت كفاءة الاستئصال نحو 0.03%، بينما وصلت كفاءة الإدخال إلى 63%، بفارق يقارب 2,000 ضعف. وقدمت البنى التي كشف عنها المجهر الإلكتروني فائق البرودة تفسيرًا فيزيائيًا: فعند الإدخال، ينحني DNA المتبرع والهدف في شكل حرف U؛ أما عند الاستئصال، فيكون مقطعا الـDNA أكثر استقامة ويتقاطعان في شكل حرف X. ويمكن لكلا التفاعلين إتمام القطع الأولي، لكن الاستئصال يكون أكثر عرضة للتعثر في خطوة تبادل السلاسل اللاحقة.
أما «تسلسلات دليل المصافحة» القصيرة داخل الـRNA الجسري، فتعمل كمفتاح للاتجاه، إذ تثبّت عبر الاقتران القاعدي حالة الـDNA السابقة للتبادل أو اللاحقة له. وبعد أن أعاد الباحثون تصميم هذه التسلسلات ومددوا بعض مناطق الدليل، ارتفعت كفاءة الاستئصال في تجارب البلازميدات البكتيرية بنحو 13,000 ضعف مقارنةً بالـRNA الجسري الطبيعي؛ في المقابل، لم تحقق زيادة مستوى تعبير الـRNA وحدها فائدة إضافية، ما يشير إلى أن تصميم التسلسل أهم من إنتاج كميات كبيرة من الـRNA.
السياق العام
تكمن جاذبية نظام إعادة التركيب بالـRNA الجسري في أن جزيئًا واحدًا من الـRNA يستطيع تحديد كل من DNA المتبرع والهدف في الوقت نفسه، ما يجعله مناسبًا نظريًا لإدخال مقاطع كبيرة من دون الاعتماد كليًا على إصلاح الخلية للقطوع بنفسها. إلا أن هذه الدراسة تتألف أساسًا من تجارب داخل البكتيريا، وتفاعلات مختبرية لجزيئات منقاة، وتحليلات بنيوية؛ كما أن التحسن بمضاعفات كبيرة تحقق في نموذج بلازميدي محدد، ولا يمكن تحويله مباشرةً إلى تقدير لكفاءته في الجينوم البشري. ولكي يصبح أداة عملية، لا يزال من الضروري التحقق من إيصاله داخل خلايا الثدييات، وانتقائيته للتسلسلات، وإعادة الترتيب غير المتوقعة، وسلامته على المدى الطويل.