أهم هدية منحها إياكم أباؤكم وأمهاتكم
كانت مجموعتين من ثلاثة مليارات حرف من الحمض النووي الريبوزي/دنا
التي تشكل أشرطتكم الوراثية (الجينوم).
لكن وكأي شيء مكون من ثلاثة ملايين عنصر
تعتبر هذه الهدية هشة.
أشعة الشمس والدخان والأغذية غير الصحية،
حتى الأخطاء التلقائية التي تصنعها خلاياكم،
تسبب جميعها تغييرات في أشرطتكم الوراثية.
أهم أنوع التغيير الشائع في دنا
هو التبادل البسيط لحرف واحد، او قاعدة نيتروجينة، مثل سايتوسين (C)،
بحرف مختلف مثل ثايمين (T) أو غوانين (G) أو أدينين (A).
في أي يوم، ستتراكم خلايا أجسامكم معًا
الملايين من هذه التبادلات لحرفٍ واحد، التي تسمى "الطفرات النقطية".
الآن، معظم الطفرات النقطية غير ضارة.
لكن بين الفينة والأخرى،
تعرقلُ الطفرة النقطية قدرة مهمة في الخلية
أو تؤدي إلى سوء تصرف الخلية بطرق ضارة.
إذا ورثتم هذه الطفرات من أولياء أموركم
أو حدثت في سن مبكرة في مرحلة نموكم،
فبالتالي ستكون النتيجة أن العديد أو جميع خلاياكم
ستحتوي طفرات ضارة.
ومن ثم سيكون أحدكم واحدًا من بين مئات الملايين من الناس
الذي يعاني من مرض وراثي،
مثل فقر الدم المنجلي أو الشيخوخة المبكرة المعروفة بمتلازمة بروجيريا
أو سوء التغذية العضلي ويسمى الحثل العضلي، أو داء تاي ساكس المعروف بالبلة المميت.
تعدُ الأمراض الوراثية الخطيرة التي تسببها الطفرات النقطية
محبطة بشكلٍ خاص،
لأننا نعرفُ أحيانًا تغير الحرف الواحد تمامًا
الذي يسبب المرض ويمكننا نظريًا علاج المرض.
يعاني الملايين من فقر الدم المنجلي
لأن لديهم طفرات نقطية واحدة من أدينين إلى ثايمين
في كلٍ من النسختين من مُوَرثة أو ما يسمى جين الهموجلوبين.
ويولدُ الأطفال الذين يعانون من فقر دم منجلي يثايمين
في موضع واحد في جيناتهم
حيث يكون لديكم سايتوسين،
مع نتيجة مؤلمة وهي أن هؤلاء الأطفال الرائعين الأذكياء
يشيخون بسرعة كبيرة جدًا ويموتون بسن 14 عامًا تقريبًا.
على مدى تاريخ الطب،
لم يكن لدينا طريقة لتصحيح الطفرات النقطية بفعالية
في أنظمة الحياة،
بهدف تغيير المسبب للمرض ثايمين مرة أخرى إلى سايتوسين.
ربما حتى الآن.
لأن مختبري نحج مؤخرًا في تطوير مثل هذه القدرة،
التي نطلق عليها اسم "تحرير القواعد".
قصة كيفية تطويرنا لتحرير القواعد
بدأت في الواقع قبل ثلاثة مليارات سنة.
نفكرُ في الجراثيم أو ما نسميها البكتيريا كمصدر للعدوى،
لكن البكتيريا في حد ذاتها معرّضة للإصابة بالعدوى،
ولا سيما من قبل الفيروسات.
لذلك قبل حوالي ثلاثة مليارات سنة،
طورت البكتيريا آلية دفاع لتكافح العدوى الفيروسية.
وتعرفُ آلية الدفاع تلك الآن كتقنية كريسبر (CRISPR).
والرأس الحربي في كريسبر هو هذا البروتين البنفسجي
الذي يتصرف مثل المقص الجزيئي لقطع الحمض النووي،
الذي يقطع اللولب المزدوج إلى قطعتين.
إذا لم يتمكن كريسبر من التمييز بين الحمض النووي البكتيري والفيروسي،
لن يكون هناك نظام دفاع مفيد جدًا.
لكن أهم خاصية مدهشة لكريسبر
هي أنه يمكن برمجة المقص للبحث عن،
وربط وقطع
تسلسل حمض نووي معين فقط.
لذلك عندما تواجه البكتيريا الفيروس لأول مرة،
يمكنها أن تخزن جزءًا صغيرًت من الحمض النووي لذلك الفيروس
للاستخدام كبرنامج لتوجيه مقص كريسبر
لقطع تسلسل الحمض النووي الفيروسي أثناء العدوى المستقبلية.
يُفسد قطع الحمض النووي الفيروسي وظيفة الجين الفيروسي المقطوع،
وبذلك يعرقل دورة حياة الفيروس.
هناك باحثون مميزون بمن فيهم إيمانويل شاربنتييه وجورج شيرتش،
وجينفر داودنا وفنغ تشانغ
الذين أظهروا قبل ست سنوات كيف يمكن برمجة مقصات كريسبر
لقطع تسلسلات الحمض النووي من اختياراتنا،
بما فيها تسلسلات جينوماتكم،
بدلًا من تسلسلات الحمض النووي الفيروسي التي تختارها البكتيريا.
لكن النتائح مماثلة في الواقع.
قطع تسلسل الحمض النووي في جينوماتكم
يعرقل أيضًا وظيفة الجين المقطوع، كما هو متوقع
عن طريق التسبب في إضافة وحذف الخليط العشوائي لأحرف الحمض النووي
عند موقع القطع.
الآن، يمكن للجينات المعرقلة أن تكون مفيدة جدًا لبعض التطبيقات.
لكن لمعظم الطفرات النقطية التي تسبب الأمراض الوراثية،
مجرد قطع الجين الذي تغير بسبب الطفرة فعلًا لن يستفيد منه المرضى،
لأن وظيفة الجين الذي تغير بسبب الطفرة تحتاج إلى استعادتها،
وليس إلى المزيد من عرقلتها.
لذلك، فقطع جين الهموجلوبين الذي تغير بسبب الطفرة فعلًا
والذي يسبب فقر الدم المنجلي
لن يستعيد قدرة المرضى لصنع خلايا دم حمراء صحية.
وبينما يمكننا أحيانًا تقديم تسلسل الحمض النووي الجديد للخلايا
لتحل محل تسلسل الحمض النووي حول موقع القطع،
للأسف الشديد، لا تعمل تلك العملية في معظم أنواع الخلايا،
ولا تزال نتائج الجين المعرقل هي المسيطرة.
مثل العديد من العلماء، قد حلمت في مستقبل
نستطيع فيه أن نكون قادرين على علاج أو حتى ربما شفاء
الأمراض الوراثية البشرية.
لكنني رأيت عدم وجود طريقة لإصلاح الطفرات النقطية،
التي تسبب معظم الأمراض الوراثية البشرية،
كمشكلة رئيسية تقف في الطريق.
كوني كيمائي، بدأت العمل مع طلابي
لتطوير طرق لتنفيذ الكيمياء مباشرة على قاعدة حمض نووي لفرد
للإصلاح الفعلي، بدلًا من عرقلة، الطفرات المسببة للأمراض الوراثية،
كانت نتائج جهودنا آلات جزيئية
تعرف باسم محرري القواعد.
يستخدم محررو القواعد آليات بحث مبرمجة لمقصات كريسبر،
لكن بدلًا من قطع الحمض النووي،
تحول مباشرة قاعدة واحدة إلى قاعدة أخرى
دون عرقلة بقية الجين.
لذلك، إذا كنتم تفكرون في بروتينات كريسبر التي تحدث طبيعيًا كمقص جزيئي،
يمكنكم التفكير بمحرري القواعد كأقلام رصاص،
القادرة على إعادة الصياغة المباشرة لحرف واحد من الحمض النووي إلى آخر
عن طريق إعادة الترتيب الفعلي لذرات قاعدة حمض نووي واحدة
بدلًا من أن تصبح قاعدة مختلفة.
الآن، ليس هناك وجود لمحرري القواعد أساسًا.
في الواقع، قمنا بهندسة أول محرر قواعد كما هو موضح هنا،
من ثلاثة بروتينات منفصلة
حتى أنها لا تنحدر من نفس الكائن الحي.
بدأنا في أخذ مقص كريسبر وعطّلنا قدرته على قطع الحمض النووي
بينما حافظنا على قدرته في بحثه وربطه تسلسل الحمض النووي المستهدف
على نحوٍ مبرمج.
بالنسبة إلى مقصات كريسبر المُعطلة ، الموضحة باللون الأزرق،
ألحقنا بروتين ثانٍ باللون الأحمر،
الذي يقوم بالتفاعل الكيميائي على قاعدة حمض نووي نوع سايتوسين،
وتحولها إلى قاعدة تتصرف وكأنها ثايمين.
ثالثًا، كان علينا إلحاق نحو أول بروتينين
البروتين الموضح في اللون البنفسجي،
الذي يحمي القاعدة المحرّرة بمعنى المعدّلة من إزالتها عن طريق الخلية.
النتيجة النهائية هي بروتين من ثلاثة أجزاء تمت هندسته
الذي يسمحُ لنا لأول مرة بتحويل القواعد نوع سايتوسين إلى ثايمين
في أماكن محددة في الجينوم.
لكن حتى عند هذه المرحلة، كنا قد انتهينا من نصف عملنا.
لأنه ولكي تستقرُ الخلايا،
على خيطي االلولب المزودج للحمض النووي تشكيل أزوج قواعد.
ولأن سايتوسين يتطابق مع غوانين فقط،
ويتطابق ثايمين مع أدينين فقط،
إنما تغيير سايتوسين إلى ثايمين في الحمض النووي يُحدث التنافر،
فالتنافر بين خيطي الحمض النووي
الذي على الخلية تسويته عن طريق تقرير أي خيط يجب تبديله.
أدركنا أنه يمكننا مواصلة هندسة البروتين ثلاثي الأجزاء
لإبراز الخيط غير المحرّر كخيط يجب تبديله
عن طريق جَرْح ذلك الخيط.
يخدع هذا الجَرح البسيط الخلية
في تبديل غوانين غير المُحرر مع أدينين
حيث يعيد صنع الخيط المجروح،
مما يكتملُ التحويل لما استخدم ليصبح زوج قاعدة مكونة من سايتوسين وغوانين
لزوج قاعدة مستقل مكون من ثايمين وأدينين.
بعد سنوات عدة من العمل الشاق
بقيادة أحد طلبة الدكتوراة السابقين في المختير ويدعى أليكسيس كومور،
نجحنا في تطوير الصنف الأول من محرري القواعد،
الذي يحوَل القواعد النيتروجينية نوع سايتوسين إلى ثايمين وغوانين إلى أدينين
في أماكن مستهدفة نقوم باختيارها.
فيما بين أكثر من 35،000 مرض معروف مرتبطة بالطفرات النقطية،
فنوعان من الطفرات التي يمكن لهذا الصنف الأول من محرري القواعد تغييرها
معًا كمجموعة تتمثلُ في حوالي 14% أو 5،000 أو على نحو طفرات نقطية مسببة للأمراض.
لكن تصحيح القسم الأكبر من الطفرات النقطية المسببة للأمراض
ستتطلب تطوير صنف ثانٍ من محرري القواعد،
واحدًا يمكنه تحويل القواعد من نوع الأدينين إلى غوانين أو ثايمين إلى سايتوسين.
بقيادة نيكول جوديلي، إحدى طالبات الدكتوارة السابقات في المختبر،
تعهدنا لتطوير صنف ثانٍ من محرري القواعد،
الذي يمكنه نطريًا تصحيح ما يصل إلى نصف الطفرات النقطية المسببة للأمراض تقريبًا،
بما فيها تلك الطفرة التي تسبب مرض الشيخوخة المبكر.
أدركنا أنه يمكننا مجددًا استعارة،
الآلية المستهدفة من مقصات كريسبر
لجلب محرّر القواعد الجديد إلى الموقع الصحيح في الجينوم.
لكن سرعان ما واجهنا مشكلة هائلة،
ألا وهي أنه لا يوجد بروتين
الذي هو معروف لتحويل أدينين إلى غوانين وثايمين إلى سايتوسين
في الحمض النووي.
في مواجهة مثل هذه العقبة العثرة الخطيرة،
سينظر معظم الطلبة على الأرجح في مشروع آخر،
إن لم يكن في مستشار بحوث آخر.
(ضحك)
لكن وافقت نيكول على المضي قدمًا بخطة
التي بدت طموحة على نطاقٍ واسع آنذاك.
نظرًا لغياب حدوث البروتين الطبيعي
الذي يؤدي الكيمياء اللازمة،
قررنا تطوير بروتين خاص بنا في المختير
لتحويل أدنين إلى قاعدة تتصرف مثل غوانين،
بدءًا من البروتين الذي يؤدي الكيمياء ذات الصلة بالحمض النووي الريبوزي أو رنا.
أعددنا نظام اختيار دارويني يعتمد على البقاء للأصلح
الذي استكشف عشرات الملايين من بدائل البروتين
وسمح فقط لهؤلاء البدائل النادرة
التي يمكنها أداء الكيمياء اللازمة للبقاء.
انتهينا بهذا البروتين الموضح هنا،
الأول الذي يمكنه تحويل أدينين في الحمض النووي
إلى قاعدة تشبه غوانين.
وعندما ألحقنا ذلك البروتين
إلى مقصات كريسبر المعطلة، كما هو موضح بالأزرق،
أنتجنا محرّر القواعد الثاني،
الذي يحول القواعد النيتروجينية نوع أدنين إلى غوانين،
ومن ثم يستخدم نفس خطة الخيط المجروح
التي استخدمناها في محرر القواعد الأول
لخداع الخلية في تبديل القواعد النيتروجينية غير المحرّرة من ثايمين إلى سايتوسين
كما أنه يعيد ترتيب ذلك الخيط المجروح،
مما يكتمل التحويل لزوج قاعدي مكون من أدنين وثايمين إلى زوج قاعدي من غوانين وسايتوسين.
(تصفيق)
شكرًا لكم.
(تصفيق)
كعالِم أكاديمي في الولايات المتحدة الأمريكية.
لم أكن متعودًا على مقاطعتي بالتصفيق.
(ضحك)
طورنا أول صنفين من محرري القواعد
قبل ثلاثة سنوات وقبل سنة ونصف فقط.
لكن حتى في ذلك الوقت القصير،
أصبح تحرير القواعد يستخدم على نطاق واسع من قبل الأوساط البحثية الطبية الحيوية.
تم إرسال محرري القواعد أكثر من 6،000 مرة
بناءً على طلب أكثر من 1،000 باحث حول العالم.
نُشرت فعلًا مائة ورقة بحثية علمية،
استخدام محرري القواعد في الكائنات الحية التي تتراوح من البكتيريا
إلى النباتات إلى الفئران إلى القرود.
بينما يعد محررو القواعد جديدة للغاية
إلا أنها دخلت فعلًا في المحاولات السريرية البشرية،
نجح العلماء في تحقيق معلمًا هامًا نحو ذلك الهدف
عن طريق استخدام محرري القواعد في الحيوانات
لتصحيح الطفرات النقطية التي تسبب الأمراض الوراثية البشرية.
مثال ذلك،
قام فريق تعاوني من العلماء بقيادة لوك كوبلان وجون ليفي،
وطالبين آخرين في مختبري
مؤخرًا باستخدام الفيروس لتوصيل ذلك المحرر القاعدي الثاني
في فأر مصاب بمتلازمة بروجيريا أو ما يعرف بالشيخوخة المبكرة،
مغيرًا القاعدة النتتروجينية ثايمين المسببة للمرض إلى سايتوسين
وتغيير ما يترتبُ على ذلك من آثار في كلٍ من دنا ورنا ومستويات البروتين.
قد استخدم أيضًا محررو القواعد في الحيوانات
لتغيير الآثار المترتبة نتيجة مرض فرط تيروزين الدم،
وبيتا ثلاسيميا والضمور العضلي،
وبيلية الفينيل كيتون والصمم الوراثي
ونوع من مرض القلب والأوعية الدموية...
في كل حالة، عن طريق التصحيح المباشر للطفرة النقطية
التي تسبب أو تساهم في المرض.
في النباتات، قد استخدم محررو القواعد
لتقديم تغييرات حرف الحمض النووي الواحد المفرد
الذي يمكن أن يؤدي إلى تحسين المحاصيل.
واستخدم علماء الأحياء محرري القواعد لفحص دور الأحرف المفردة
في الجينات ذات الصلة بالأمراض مثل السرطان.
شاركت في تأسيس شركتين وهما، Beam Therapeutics وPairwise Plants،
اللتين تستخدمان تحرير القواعد لعلاج الأمراض الوراثية البشرية
ولتحسين الزراعة.
وجميع تطبيقات تحرير القواعد هذه
أجريت في أقل من الثلاث السنوات الأخيرة،
من حيث المقياس الزمني التاريخي للعِلم،
تعدُ بمثابة طرفة عين.
ينتظرنا عمل إضافي قدمًا
قبل أن يتمكن تحرير القواعد من فهم إمكانياته الكامله
لتحسين حياة المرضى ذوي الأمراض الوراثية.
بينما أعتقد أن العديد من هذه الامراض قابلة للعلاج
عن طريق تصحيح الطفرات الكامنة
حتى في جزء بسيط للخلايا في عضو ما،
توصيل الآلات الجزيئية مثل محرري القواعد
في خلايا الكائن البشري
يمكنُ أي يمثل تحديًا صعبًا.
مشاركة اختيار الفيروسات الطبيعية لتوصيل محرري القواعد
بدلًا من الجزيئيات التي تسبب لكم نَزلة البَرد
هي واحدة من عدة خطط توصيل واعدة
التي قد استخدمت بنجاح.
مواصلة تطوير آلالات الجزيئية الجديدة
التي يمكنها صنع كل الطرق المتبقية
لتحويل زوج قاعدي واحد إلى زوج قاعدي آخر
والذي يقلّل من التحرير غير المرغوب فيه في مواقع غير مستهدفة في الخلايا
يعدُ أمرًا مهمًا للغاية.
ومشاركة العلماء الآخرين والأطباء، وعلماء الأخلاقيات والحكومات
لزيادة احتمالية تطبيق التحرير القاعدي بشكل مدروس،
وبسلامة وعلى نحوٍ أخلاقي،
تظل تعهدًا بالغ الأهمية.
ورغم كل هذه التحديات،
إن كنتم قلتم لي حتى قبل خمس سنوات فقط
أن الباحثين حول العالم
سوف يستخدمون آلالات الجزيئية المختبرية المتطورة
لتحويل زوج قاعدي مفرد بشكل مباشر
إلى زوج قاعدي آخر
في مكانٍ محدد في الجينوم البشري
بفعالية وبحدٍ أدنى من النتائج الأخرى،
كنتُ سأسألكم:
"ما هي الرواية العلمية الخيالية التي تقرأونها؟"
بفضل مجموعة من الطلبة المخلصين الذين يعملون دون كلل
والذين كانوا مبدعين بما فيه الكفاية لهندسة ما كنا نستطيع هندسته بأنفسنا
وشجعان بما فيه الكفاية لمشاركة ما لم نستطع،
قد بدأ تحرير القواعد في تحويل ما يشبه طموح الخيال العلمي
إلى حقيقة جديدة مثيرة،
إحدى أهم الهدايا التي نمنحها لأطفالنا
قد لا تكون الثلاثة ملايين حرف من الحمض النووي
ولكن كذلك الوسائل لحمايتهم وإصلاحهم.
شكرًا لكم!
(تصفيق)
شكرًا لكم.