2- حوزه‌ی اول، مبانی ژن درمانی ( با تکیه بر مبانی ژنتیک )

2- حوزه‌ی اول، مبانی ژن درمانی ( با تکیه بر مبانی ژنتیک )

ژن درمانی، به‌طور عمده انتقال مواد ژنتیكی به درون سلول‌های یك موجود برای مقاصد درمانی است. این امر كه به روش‌های مختلف و متنوع صورت می‌گیرد، بر انتقال ژن سالم به درون سلول، اصلاح ژن معیوب از طریق رفع نقص و تغییر ژنوتیپ آن و یا مهار كردن بیان ژن معیوب استوار است. در این تعریف چهار واژه‌ی اساسی در علم ژنتیک، شامل «ژن»، «بیان ژن»، «ژنتیک» و «ماده‌ی ژنتیکی یا ماده‌ی وراثتی» وجود دارند. (در ادامه به معرفی و بررسی این واژه‌ها می‌پردازیم و در کتاب «زیست‌فناوری پزشکی پیشرفته» پیرامون «ژن‌درمانی» و سازوکار آن بیشتر توضیح می‌دهیم.

ژن‌درمانی در حقیقت تلفیقی از زیست‌فناوری و علم ژنتیک است.

2-1 تاریخچه‌ی ژن‌درمانی

نخستین کارآزمایی بالینی موفق ژن‌درمانی در دهه 1990 میلادی برای درمان یک اختلال ژنتیکی ارثی به نام نقص ایمنی مرکب شدید[1] انجام گرفت.[2] در سال‌های بعد تعداد کارآزمایی‏ها فزونی یافت. بااین حال هنوز هم انتظارات از این شاخه از بیوتکنولوژی پزشکی برآورده نشده است. پیشرفت‏های اخیر در زمینه‏ی حامل‏های انتقال ژن امیدبخش تحقق رویای ژن درمانی در زمینه‌ی بیماری‏های وخیم لاعلاج خواهد بود.

ژن درمانی به‏عنوان راهکاری نوید بخش برای درمان طیف گسترده‏ای از بیماری‏هایی غیر از اختلالات نادر وراثتی و تک‏ژنی توجه بسیاری را به‏خود جلب کرده است. بدین منظور می‏بایست اسیدهای نوکلئیک به سلول‏های هدف انسانی ارائه و بیان شود.

برای درک بهتر فرایند ژن درمانی بهتر است ابتدا با مفاهیم ذکر شده در تعریف ژن درمانی آشنا شویم

[1] Severe combined immunodeficiency (SCID)  

[2]  این بیماری در نتیجه‌ی جهش ژن‌های دخیل در سیستم ایمنی بدن، رخ می‌دهد. در مبحث زیست فناوری پزشکی پیشرفته با فرآیند جهش آشنا می‌شویم.

2-2

ماده‌ی وراثتی

همه‌ی اطلاعات مربوط به یک سلول، اعم از اطلاعات مربوط به ویژگی‌های ساختاری و عملکردی، در ماده‌ی وراثتی آن سلول یا همان مولکول‌های DNA  قرار دارد. این مولکول از نسلی به نسل دیگر منتقل می شود و تولید مثل و بقا با همین انتقال امکان پذیر شده است.

در این تصویر، ساختار شماتیک یک مولکول DNA را می‌بینید.

مطابق تصویر بالا، هر نوکلئوتید شامل نوعی قند به نام دئوکسی‌ریبوز است که در یک طرف محدود به یک گروه فسفات و در سوی دیگر نیز محدود به یک باز نیتروژنی است. چهار نوع باز آلی در ساختار DNA وجود دارد. در حقیقت تنوع نوکلئوتید‌ها

تنها وابسته به نوع باز آلی به کار رفته در ساختار آن‌هاست. در کل چهار نوع نوکلئوتید در ساختار زنجیره‌ی DNA به چشم می خورند. DNA مخفف عبارت «دئوکسی ریبو نوکلئیک اسید» است.

حیات همه‌ی موجودات زنده با مولکول DNA گره خورده است. مولکول DNA (و همچنین RNA) از نظر ساختار شیمیایی از گروه مولکول‌هایی به نام اسیدهای نوکلئیک محسوب می‌شود. اسیدهای نوکلئیک نخستین بار در سال ۱۸۶۸ توسط فردریک میچر[1] زیست‌شناس سوئیسی کشف شدند. وی در آن زمان توانست مولکول DNA را از پانسمان یک زخم چرکی جداسازی کند. ساختار مولکول DNA به صورت یک معما برای دانشمندان باقی مانده بود؛ تا اینکه واتسون و کریک در سال 1953 با همکاری چند نفر دیگر در نهایت به الگوی «مارپیچ دو رشته ای»  دست یافتند. مولکول DNA در یک نگاه از الگویی متشکل از تنها چهار بخش مختلف به نام نوکلئوتید ساخته شده‌است.

دو نوع از بازهای نیتروژنی وجود دارند که ما آن‌ها را به نام پورین (ساختار دوحلقه‌ ای) و پیریمیدین (سازه‌‌ی تک‌حلقه) می‌شناسیم. چهار باز موجود در الفبای DNA هم عبارت هستند از: آدنین (A) و گوانین (G)  که پورینی و  سیتوزین (C)  و تیمین (T)که پیریمیدینی هستند. از آن جایی که تنها تفاوت نوکلئوتیدها در بازهای شان است؛ ما نوکلئوتید‌ها را به نام باز آلی به کار رفته در ساختار آن‌ها می شناسیم؛ به‌طور مثال به مولکول DNAی که در آن باز A وجود داشته باشد، به اختصار A می گوییم.

[1] Friedrich Meischer

منظور از حلقه، قند حلقوی به کار رفته در ساختار یک باز آلی است

مانند شکل زیر،  فسفات متعلق به یک نوکلئوتید با ایجاد پیوند کووالانسی (پیوندی که در آن یک یا چند جفت الکترون توسط دو اتم به اشتراک گذاشته می‌شوند) به قند نوکلئوتید بعدی (پایینی) متصل شده است. پیوند هیدروژنی بین فسفات‌ها هم باعث می‌شود تا رشته‌ی مولکول DNA پیچ و تاب بگیرد. بازهای نیتروژنی به سمت داخل نردبان گرایش پیدا می‌کنند و جفت‌هایی را با بازهای موجود در طرف دیگر (همانند یک پله برای نردبان) شکل می‌دهند. هر یک از جفت باز‌ها در واقع از اتصال دو نوکلئوتید مکمل (پورین با پیریمیدین) که رو به روی هم قرار گرفته‌اند و با کمک پیوند هیدروژنی شکل می‌گیرد.

همان طور که در این شکل مشاهده می کنید، باز C با باز G و باز A با باز T جفت می شوند. این یک قانون تغییر‌ناپذیر در ساختار یک مولکول DNA است.

گفتیم واتسون و کریک موفق به ارائه‌ی مدلی برای ساختار DNA شدند. طبق این مدل، DNA یک مولکول مارپیچ دو رشته ای یا دابل هلیکس[1] است؛ مانند یک نربان پیچ خورده. دو طرف این نردبان شامل بخش‌های قند-فسفاتی متعلق به نوکلئوتیدهای مجاوری هستند که از طریق پیوند قند-فسفات با یکدیگر پیوند خورده‌اند.

[1] double-helix

در این تصویر  مارپیچ دوگانه‌ی DNA به خوبی قابل تصور است. مولکول DNA حول محوری فرضی پیچ خورده‌است.

این مولکولهای مارپیچی دو رشته در هسته‌ی سلول به صورت فشرده قرار گرفته‌اند (به جز باکتری‌ها که هسته ندارند و DNA شان در سیتوپلاسم در فضایی شبه هسته قرار دارد). بنابراین برای جای گرفتن در سلول، به شدت پیچ و تاب خورده و به شکل یک کروموزوم پیچ در پیچ در آمده است.کروموزوم شکل فشرده و متراکم مولکول DNA  است. برای ایجاد این فشردگی در وهله‌ی اول، سلول از پروتئین هایی به نام هیستون کمک می‌گیرد.

مولکول DNA حدود دو دور در اطراف ۸ مولکول پروتئینی هیستون می‌پیچد و ساختاری مستحکم به نام نوکلئوزوم را می‌سازد.

 تصور کنید این پروتئین‌ها مهره‌های یک تسبیح اند و DNA به جای این که از وسط مهره‌ها عبور کند، دور آن‌ها پیچیده شده‌است. در نتیجه با  ایجاد نوکلئوزوم DNA کوتاهتر و فشرده‌تر می‌شود.

مولکول DNA در مراحل بعد دچار فشردگی و تراکم بسیار بیشتری می شود به‌طوری که اگر این DNA را به شکل یک نخ در آوریم، طول آن به یک میلی متر می رسد در حالی که یک اشرشیا کلای، در حالت عادی فقط 3 میکرون (3 هزارم یک میلی متر) طول دارد.

کروموزوم فشرده ترین حالت مولکول DNA  است

یاخته‌های یک گیاه یا یک جانور دارای تعداد معینی کروموزوم است و تعداد این کروموزومها در همه یاخته‌های آن فرد پایدار و یکسان است (به استثنای سلول‌های جنسی که دارای کروموزوم‌های همتا نیستند). بنابراین همه یاخته‌های یک موجود دارای مجموعه‌های ژنی یکسانی می‌باشند، مثلا در مگس سرکه در حدود 10 هزار ژن شناخته شده است.

ایجاد کویل(مارپیچ) و سوپرکویل (فرامارپیچ) از جمله مراحل بعدی فشردگیDNA  برای رسیدن به ساختار کروموزوم هستند.

2-3 ژن چیست؟

یکی دیگر از لغاتی که در تعریف «ژن‌درمانی» آورده می‌شود، «ژن» است. ژن‌ها بخشی از ماده‌ی وراثتی هستند که توانایی انتقال رمزها را از نسلی به نسل بعد دارند. ژن‌ها عبارتند از هر بخشی از اطلاعات ژنتیکی فرد که بتواند صفت خاصی را بیان کرده یا عملکرد خاصی داشته باشد. باید بدانیم که همه‌ی کدهای موجود در مولکول DNA ژن نیستند و بیان نمی‌شوند. ماده‌ی وراثتی در همه‌ی موجودات به استثنای انواعی از ویروس‌ها همان مولکول‌های DNA  است. RNA مولکولی شبیه به DNA و با ساختاری بسیار نزدیک به آن است که در ویروس‌ها نقش ماده‌ی وراثتی را ایفا می‌کند. در واقع جنس ژن در این نوع ویروس‌ها با جنس ژن‌های ما متفاوت است.

2-4 ژنوتیپ چیست؟

ژنوتیپ هر شخص، شامل مجموعه‌ای از ژن‌های اوست. این واژه در واقع بازتابی از آرایش ژنتیکی فرد یا سلول است که منحصر به‌فرد است؛ به این معنا که ژنوتیپ هیچ دو انسانی یکسان نیست.) به استثنای دوقلوهای هم‌سان یک تخمکی(monozygotic) که کاملاً محتوای ژنتیکی‌شان یکسان است)

هر ژنوتیپ به فنوتیپ خاصی منتهی می‌شود. فنوتیپ شامل ویژگی‌‌ها و مشخصات ظاهری فرد است؛ مانند ویژگی‌های ساختاری، تکاملی، رفتاری و غیره. در این تصویر، مگس سرکه‌ با بال‌های معمولی، و بال‌های چروکیده را می‌بینید. علت این تفاوت، ژنوتیپ‌های متفاوتی است که به فنوتیپ‌های متفاوت منتهی می‌شود.

در ادامه با فرآیندهای ارتباط دهنده‌ی ژنوتیپ به فنوتیپ آشنا می‌شویم.

2-5 ارتباط ژن و پروتئین؛ بیان ژن

انواع و اقسام مولکول‌های پروتئینی در اکثریت قریب به اتفاقات واکنش‌ها و ساختار‌های بدن نقش اساسی را ایفا می‌کنند و جالب است بدانید که پروتئین در واقع محصول بیان ژن است. اما چگونه؟ توالی باز‌ها در طول یک رشته از مولکول DNA تعیین کننده‌ی کدهای ژنتیکی است. کدهای ژنتیکی سه حرفی هستند و این قالب سه حرفی در هیچ کجای محتوای ژنتیکی ما نقض نمی شود (مثلاً TAC). مولکولی که ژن و پروتئین را بهم پیوند می‌دهد، RNA نام دارد. مولکول RNA نوع دیگری از اسیدهای نوکلئیک است که ماهیتاً شبیه DNA است اما چندین تفاوت مهم بین این دو گروه وجود دارد: از جمله اینکه مولکول RNA به جای قند دئوکسی ریبوز، در ساختارش قند ریبوز دارد. تفاوت بعدی در ساختار اصلی این دو مولکول است که DNA  غالباً دو رشته و RNA غالباً تک رشته است (به استثنای ماده‌ی ژنتیکی بعضی ویروس ها). همچنین در ساختار RNA، به جای باز T، باز U (یوراسیل) روبه روی باز A قرار می‌گیرد. بنابراین در طول یک رشته‌ی RNA هیچگاه باز T را نخواهیم دید.

به‌طور کلی چه در سلول‌های پروکاریوتی (مانند باکتری ها) و چه سلول‌های یوکاریوتی (مانند گیاهان و جانوارن) سه نوع مولکول RNA وجود دارد که هر یک وظایف و ساختار مخصوصی دارند. برخلاف پروکاریوت‌ها که تنها یک آنزیم برای ساخت انواع RNAها دارند، سلول‌های یوکاریوتی دارای سه نوع آنزیم RNA پلی‌مراز هستند؛ RNA پلی‌مراز I  سازنده‌ی  RNA ریبوزومی یا rRNA ، RNA پلی‌مراز II سازنده‌ی  mRNA و RNA پلی‌مراز III سازنده‌ی tRNA. در ادامه با وظایف هر یک آشنا می شویم.

انواع RNA. از سمت راست تصویر؛ RNA ناقل یا tRNA با ساختار برگ شبدری که حمل کننده‌ی آمینواسیدهاست و دارای جایگاه اختصاصی برای اتصال به آمینواسید است. RNA ریبوزومی یا rRNA که در ساختار ریبوزوم به کار می‌رود. RNA پیام‌رسان یا mRNA که ساختاری رشته‌ای دارد، دارای کدهایی مکمل کدهای DNA است و به پروتئین ترجمه می‌‌شود.

دارای کدهایی مکمل کدهای DNA است و به پروتئین ترجمه می‌‌شود.

2-5-1 سازوکار فرآیند رونویسی[1]

هرگاه سلول به محصول یک ژن خاص نیاز پیدا کند، بخشی از مولکول DNA که حاوی آن ژن خاص است، دچار یک شکاف می شود و بدین ترتیب فرایند رونویسی که مقدمه‌ی بیان ژن و تولید پروتئین است آغاز می شود. راه انداز[2]  محلی از DNA است که توسط آنزیم سازنده‌ی  RNA شناسایی می شود. طی فرایند رونویسی، یک رشته از جنس RNA دقیقا مطابق نوکلئوتید‌های رشته‌ی شکاف خورده‌ی DNA ساخته می شود. به این RNA ساخته شده ، RNA پیام رسان (mRNA)[3] می گوییم؛ چرا که در واقع حمل کننده‌ی کدهای ژنتیکی مشابه توالی DNA الگوی ماست. این مولکول واسطه‌ی بین مولکول DNA و مولکول پروتئین است. در کل فرایند رونویسی با حضور آنزیم‌ها و درون هسته‌ی سلول رخ میدهد به جز باکتری‌ها که فاقد هسته‌اند.

آنزیم RNA پلی‌مراز، مولکولی بسیار بزرگ و چندبخشی است که بر روی توالی خاصی از DNA قرار می‌گیرد و به‌طور همزمان چندین عملکرد (مانند شناسایی نقطه‌ی آغاز رونویسی، باز کردن و ایجاد پیوند و …) را در فرایند رونویسی به اجرا در می آورد. نقطه‌ی آغاز رونویسی، محلی از DNA است که رونویسی از آن‌جا شروع می‌شود.

با جدا شدن مولکول RNA از DNA الگو و آنزیم سازنده‌ی RNA (RNA پلی‌مراز) فرایند رونویسی پایان می یابد.

[1] transcription

[2] promotor

[3] messenger RNA

2-5-2 سازوکار فرآیند ترجمه[1]

به فرآیند ساخت پروتئین از روی RNA  الگو ترجمه گفته می شود. مولکول  RNA طول عمر بسیار کوتاهتری نسبت به DNA دارد و تا جایی که در سلول‌های پروکاریوتی شاهد انجام همزمان دو فرایند رونویسی و ترجمه هستیم ( دقت کنید که در سلولی‌های پروکاریوتی به خاطر عدم وجود هسته، هر دو فرایند در فضای سیتوپلاسمی صورت می‌گیرند.). در این مرحله RNA پیام رسان (در سلول‌های دارای هسته) از هسته خارج شده و در فضای سیتوپلاسمی قرار می‌گیرند، جایی که اندامک ریزی به نام ریبوزوم روی رشته‌ی RNA قرار می‌گیرد و اقدام به ساخت مولکول پروتئین می‌کند. ریبوزوم ساختاری بدون غشا و دو قسمتی بوده و از تجمع rRNA[2] و پروتئین‌ها ساخته شده است. ریبوزوم‌ها ممکن است در اقصی نقاط سلول مانند غشای شبکه‌ی آندوپلاسمی، غشای هسته، میتوکندری و به‌صورت آزاد در سیتوپلاسم دیده شوند.

محل ساخت اندامک ریبوزوم در سلول‌های ما، هسته است. ریبوزوم از دو بخش کوچک و بزرگ ساخته شده‌است.

[1] translation

[2] ribosomal RNA

ریبوزوم دارای جایگاه‌های مخصوصی است و هر سه نوکلئوتید از RNA در یک جایگاه جای می‌گیرند. به عبارت دیگر، هر کد سه حرفی به یک آمینواسید ترجمه می شود.. طی فرایند ترجمه، نوع دیگری از مولکول‌های RNA به نام RNA‌ی ناقل (tRNA)[1] مطابق با کد ژنتیکی mRNA به اسید آمینه‌ی خاصی متصل شده و آن را به سمت ریبوزوم می آورند. عملکرد ریبوزوم ساخت زنجیره ی‌های طویل پلی پپتید از اتصال اسیدهای آمینه به یکدیگر است. در آخر، ریبوزوم، زنجیره‌ی پلی پپتیدی ساخته شده، mRNA و tRNA‌ی آخر از یکدیگر جدا شده و فرایند ترجمه پایان میابد.

[1] transporter

در این شکل فرآیند ترجمه به طور شماتیک به تصویر کشیده‌ شده‌است. tRNA ناقل از یک سمت به آمینواسید و از سمت دیگر به mRNA متصل می‌شود.  در واقع tRNA با توجه به کدون‌های سه حرفی، آمینواسید خاصی را به ریبوزوم می‌آورد. در ریبوزوم آمینواسیدها به یکدیگر متصل شده و یک رشته‌ی پلی‌پپتیدی ساخته می‌شود.

2-6 ریشه‌ی بیماری‌های ژنتیکی

حال که از ارتباط مستقیم و بسیار نزدیک کدهای ژنتیکی با ساخت پروتئین‌ها آگاه شدیم، می توان به این نتیجه رسید که هر گونه تغییر در توالی کدهای یک ژن، بر توالی اسید آمینه‌ها و پروتئین محصول آن ژن تاثیر گذار خواهد بود. همان‌طور که ذکر شد، ژنوتیپ به فنوتیپ منتهی می‌شود و فنوتیپ چیزی نیست جز بیان ژن و ساخت پروتئین که در نهایت ویژگی‌های مارا می‌سازد. بنابراین ریشه‌ی دسته ای از بیماری‌ها را باید در همین کدهای ژنتیکی جستجو کرد. در واقع موضوع موردنظر ما یعنی ژن درمانی، غالباً بر درمان چنین بیماری هایی تمرکز دارد. در مبحث ژن درمانی پیشرفته، با سازوکار این روش نوین زیست فناورانه بیشتر آشنا خواهیم شد.

اشتراک گذاری:

دیدگاهتان را بنویسید