زیست شناسان دستگاه هایی کوچک با عملکرد های فراوان به نام eToehold ایجاد کرده اند. این دستگاه ها در mRNA قرار میگیرد و توالی کد کننده ی پروتئین را بیان می کند. البته دستگاه eToehold تنها در صورت وجود RNA اختصاصی سلولی یا ویروسی می تواند توالی کد کننده پروتئین را بیان کند. دستگاه های eToehold فرصت های متعددی در زمینه های مختلف از قبیل هدفمند سازی انواع درمان ها با کمک RNA، تکنولوژی مهندسی سلول و بافت در شرایط آزمایشگاهی، سنجش خطرات بیولوژیکی در انسان و سایر ارگانیسم ها را ایجاد می کنند. در این مطلب قصد داریم درباره بستری جدید در انجام سلول درمانی و RNA درمانی ایجاد شده است، صحبت کنیم.
خب حالا داستان چیه؟
مولکول های RNA اطلاعات کدگذاری شده در ژن ها را به پروتئین ها تبدیل می کنند. RNA به دلیل پیچیدگی ساختاری و پایداری نسبی، به عنوان یک ماده ی زیستی ارزشمند، توجه زیادی را به خود جلب می کند. مولکول RNA می تواند برای ایجاد انواع جدیدی از درمان ها، نشان گر های زیستی مصنوعی و با توجه به همه گیری کووید 19، برای ساخت واکسن های قوی استفاده شود.
به طور کلی یک مولکول RNA مصنوعی، به یک سلول دستور تولید پروتئین مورد نظر را می دهد. این پروتئین تولید شده دارای عملکرد درمانی، تشخیصی و موارد دیگر می باشد. یکی از چالش های کلیدی و مهم برای محققان این است که اجازه ی بیان پروتئین های تولیدی را فقط به سلول هایی که باعث و یا تحت تاثیر بیماری خاصی هستند، بدهند. این توانایی می تواند به طور قابل توجهی تولید پروتئین را در بدن تسهیل کند و از عوارض جانبی ناخواسته نیز جلوگیری کند.
در حال حاضر، تیمی از زیست شناسان و مهندسان سلولی به رهبری جیمز جی. کالینز، دارای مدرک Ph.D. در موسسه مهندسی بیولوژیکی Wyss و موسسه فناوری ماساچوست(MIT)، دستگاه های eToehold را ارائه کردند. این دستگاه ها که در mRNA قرار می گیرند و بیان کننده توالی کد کننده ی پروتئین هستند؛ تنها در صورت وجود RNA اختصاصی سلولی یا ویروسی می توانند توالی کد کننده پروتئین را بیان کنند. دستگاه های eToehold فرصت های متعددی در زمینه های مختلف از قبیل هدفمند سازی انواع درمان ها با کمک RNA، تکنولوژی مهندسی سلول و بافت در شرایط آزمایشگاهی، سنجش خطرات بیولوژیکی در انسان و سایر ارگانیسم ها را ایجاد می کنند.
این نتایج در نشریه ی Nature Biotechnology گزارش و چاپ شد.
روش تحقیقاتی این تیم
در سال 2014 یک تیم تحقیقاتی، کلید های کنترل کننده ی eToehold را برای باکتری هایی که در حالت خاموش بیان می شوند، ایجاد کردند. تیم آقای کالین به همراه پنگ یین عضو اصلی هیئت علمی موسسه Wyss بر روی این موضوع فعالیت داشتند. این باکتری ها با سنتز پروتئین مورد نظر توسط مکانیسم سنتز پروتئین باکتریایی، به RNA های محرک خاصی پاسخ می دهند. با این حال، طرح eToehold باکتریایی را نمی توانیم در سلول های پیچیده تر، از جمله سلول های انسانی که مکانیسم سنتز پروتئین و ساختار پیچیده تری دارند، استفاده کنیم.
کالین می گوید: « در این مطالعه ما از IRES استفاده کردیم. این عنصر یک جزء کنترلی رایج در RNA برخی ویروس ها است که عوامل ترجمه پروتئین یوکاریوتی را مهار می کند. IRES همان عناصر کنترلی هستند که به عنوان محل ورود ریبوزوم داخلی شناخته می شوند. این عناصر به ریبوزوم های سنتز کننده پروتئین سلول میزبان، اجازه دسترسی به بخشی از ژنوم ویروس در اطراف توالی کد کننده ی پروتئین ویروسی را می دهند.
پس از اتصال به RNA، ریبوزوم ها شروع به اسکن توالی کد کننده ی پروتئین می کنند و هم زمان پروتئین را با افزودن متوالی اسید های آمینه از انتهای در حال رشد آن، سنتز می کنند. این اجزاء را می توان از طریق روش های مهندسی، به دستگاه های برنامه ریزی شده برای القای RNA های محرک سلولی یا بیماری زا در سلول های انسان، مخمر و گیاه، منتقل کرد. این دستگاه ها باعث فراهم کردن رویکرد های درمانی، تشخیصی اختصاصی و ایمنی RNA در انسان، گیاهان و دیگر موجودات عالی می شوند. آن ها هم چنین به عنوان ابزاری در تحقیقات پایه و زیست شناسی مصنوعی استفاده می گردند.
نحوه عملکرد
ایوان ژائو، نویسنده ی اول، دارای Ph.D. که عضو فوق دکتری تیم کالینز است، گفت: «ما توالی های IRES را با موفقیت مهندسی کردیم. این ساختار ها به عنوان توالی های تکمیلی به یکدیگر متصل می شوند تا ساختار های بازدارنده ی جفت شونده را ایجاد کنند. این ساختار های بازدارنده از اتصال ریبوزوم به IRES جلوگیری می کنند.» اجزاء توالی کدکننده ی لوپ سنجاق سری در دستگاه های eToehold، به گونه ای طراحی شدند که با توالی های حسگر خاصی که مکمل RNA های محرک هستند، هم پوشانی دارند. هنگامی که RNA محرک به مکمل خود در eToehold متصل می شود، حلقه ی سنجاق سر باز می شود و ریبوزوم می تواند پروتئین تولید کند.
ژائو با آنجلو مائو نویسنده ی اول و محقق توسعه ی فناوری Wyss و دارای مدرک دکتری، در این پروژه همکاری کرد. این همکاری، آن ها را قادر ساخت تا زمینه های تخصصی مربوط به خود را در زیست شناسی و مهندسی سلولی ترکیب کنند. در نتیجه ی این هم فکری، زمینه جدیدی در دستکاری توالی های IRES ایجاد شد.
روند پیشرفت پروژه
در یک فرآیند تکرار سریع، آن ها توانستند دستگاه هایی را طراحی و بهینه سازی کنند که در سلول های انسان و مخمر و هم چنین سنجش های سنتز پروتئین بدون سلول، عمل می کنند. آن ها به القای 16 برابری ژن های منعکس کننده ی فلورسنت توسط eToehold، دست یافتند. این آزمایشات منحصرا در حضور RNA های محرک مناسب آن ها در مقایسه با RNA های کنترل گر، انجام شد.
مائو می گوید که ما eTohold هایی را ساختیم که به طور خاص عفونت ویروس زیکا و وجود RNA ویروسی SARS-COV-2 را در انسان شناسایی می کنند. هم چنین ما سایر eToehold های راه اندازی شده توسط RNA های سلولی خاص مانند RNA که فقط در ملانوسیت های پوست بیان می شوند، را نیز ساخته ایم. نکته ی مهم این است که eToehold ها و توالی هایی که پروتئین های موردنظر مرتبط با آن ها را کد می کنند، می توانند در مولکول های DNA پایدارتر، رمزگذاری شوند. درنتیجه در هنگام ورود به سلول، به مولکول های RNA تبدیل می شوند که متناسب با نوع بیان پروتئین مورد نظر ما هستند. این امر امکان تحویل eToehold را به سلول های هدف گسترش می دهد.
نتایج
محققان بر این باورند که eToehold، می تواند به هدف قرار دادن درمان های RNA و برخی از ژن درمانی ها برای انواع سلول های خاص کمک کند. این مسئله بسیار حائز اهمیت است؛ زیرا بسیاری از این درمان ها به دلیل وجود سم بیش از حد، با اختلال روبه رو می شوند. علاوه بر این، می تواند رویکرد های تمایز خارج از بدن را تسهیل کند که سلول های بنیادی را در امتداد مسیرهای رشد برای تولید انواع سلول های خاص برای سلول درمانی و سایر کاربردها هدایت می کنند.
تبدیل سلول های بنیادی و سلول های حد واسط، در طول دودمان سلولیِ بسیاری از سلول های تمایز یافته، اغلب تاثیر گذار نیست. بنابراین eToehold ها می توانند به غنی سازی انواع سلول های موردنظر کمک کنند.
این مطالعه نشان می دهد که چگونه جیم کالینز و تیمش در پلتفرم دستگاه زندگی سلولی Wyss، در حال توسعه ابزار های نوآورانه هستند. بنابراین می توانند پیشرفت درمان های سلولی و RNA خاص را، مطمئن تر و موثر تر پیش ببرند و تاثیر مثبتی بر زندگی بسیاری از بیماران بگذارند. این مطلب را دونالد اینگبر موسس Wyss، دارای مدرک Ph.D، M.D.، و جودا فالکمن ، استاد زیست شناسی عروقی در دانشکده پزشکی هاروارد و بیمارستان کودکان بوستون، و جان آ. پائولسون، استاد مهندس طیستی در دانشکده ی مهندسی و علوم کاربردی هاروارد بیان کردند.
این مطالعه با کمک های مالی از NIH، BASF و موسسه Wyss برای مهندسی الهام گرفته از زیست شناسی انجام شد.
منبع
- Materials provided by Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard. Original written by Benjamin Boettner. Note: Content may be edited for style and length.
- Evan M. Zhao, Angelo S. Mao, Helena de Puig, Kehan Zhang, Nathaniel D. Tippens, Xiao Tan, F. Ann Ran, Isaac Han, Peter Q. Nguyen, Emma J. Chory, Tiffany Y. Hua, Pradeep Ramesh, David B. Thompson, Crystal Yuri Oh, Eric S. Zigon, Max A. English, James J. Collins. RNA-responsive elements for eukaryotic translational control. Nature Biotechnology, 2021; DOI: 10.1038/s41587-021-01068-2
مترجم: مهسا صیدی | تولید محتوا و ویراستار: نفیسه مظفری
