من مناعة البكتيريا إلى علاج الأمراض: كيف أحدثت كريسبر ثورة في تعديل الجينات؟

جاء الاكتشاف أثناء دراسة الباحثين لأحد الجينات في بكتيريا <em>الإشريكية القولونية</em>، إذ لاحظوا نمطاً غير مألوف من مقاطع قصيرة تتكرر بانتظام، وتفصل بينها أجزاء مختلفة. لم يكن معروفاً آنذاك أن هذا الترتيب يؤدي دوراً في دفاع الميكروبات عن نفسها. وتكمن أهمية الملاحظة في أنها كانت أول توثيق للبنية التي ستحمل لاحقاً اسم «كريسبر»، قبل فهم وظيفتها بسنوات.

اقترح الباحثون اسم «كريسبر» (CRISPR) لهذه العائلة من التتابعات المنتظمة، وحددوا بجوارها جينات عُرفت باسم Cas، أي الجينات المرتبطة بكريسبر. لم يفسر الاسم وظيفة النظام، لكنه منح العلماء لغة مشتركة لمقارنة نتائج ظهرت في كائنات دقيقة مختلفة، وساعد على جمع ملاحظات متفرقة في مجال بحثي واحد.

لاحظ كل من فرانسيسكو موخيكا وألكسندر بولوتين وكريستين بوركيل، كلٌ بشكل مستقل عبر مقارنات معلوماتية حيوية، أن التتابعات الفريدة الفاصلة بين تكرارات كريسبر تطابق أجزاء من DNA فيروسات تصيب البكتيريا وبلازميدات. كانت هذه المطابقة القفزة المفاهيمية الحاسمة: فإذا كانت البكتيريا تحتفظ بمقاطع من الفيروسات التي هاجمتها، فقد يكون كريسبر شكلاً من أشكال الذاكرة المناعية المكتسبة. أعادت الفرضية تأطير ظاهرة بنيوية غامضة باعتبارها نظام دفاع، وإن استغرق إثباتها تجريبياً حتى عام 2007.

أدخل الباحثون أجزاء من الحمض النووي لفيروسات في منظومة كريسبر داخل البكتيريا، وأظهروا أن ذلك غيّر مقاومتها للعدوى اللاحقة. قدمت التجربة دليلاً مباشراً على أن النظام يحتفظ بذاكرة وراثية للمهاجم السابق ويستخدمها للتعرف إليه عند عودته. وهكذا اتضح أن كريسبر ليس نمطاً غريباً في DNA فحسب، بل جزء من مناعة ميكروبية مكتسبة.

خلال دراستها لبكتيريا العقدية المقيّحة، اكتشف فريق إيمانويل شاربنتييه جزيء رنا صغيراً يُعرف بـtracrRNA، يقترن بتتابعات كريسبر المتكررة وضروري لمعالجة crRNA وتحويله إلى صورته الناضجة الفعالة. كشف الاكتشاف عن حلقة مفقودة في آلية عمل نظام Cas9. وبعد عام واحد، دُمج tracrRNA نفسه مع crRNA في حمض نووي ريبي دليل واحد، وهو التصميم الذي مكّن دودنا وشاربنتييه من تحويل Cas9 إلى أداة قابلة للبرمجة.

أظهرت جنيفر دودنا وإيمانويل شاربنتييه وزملاؤهما أن حمضاً نووياً ريبياً دليلاً مصمماً يمكنه توجيه إنزيم Cas9 لقص تتابع محدد من DNA. تمثل الإنجاز الحاسم في قابلية البرمجة، إذ يكفي تغيير تسلسل الدليل بدلاً من تصميم بروتين جديد لكل هدف. أثبتت الدراسة الآلية الأساسية، لكن القص الدقيق في نظام تجريبي ظل بعيداً عن علاج بشري آمن.

أثبتت فرق مستقلة أن كريسبر-كاس9 يستطيع تعديل جينات مختارة داخل خلايا ثدييات، ومنها خلايا بشرية. وسّع الانتقال من جزيئات معزولة إلى خلايا حية استخدام التقنية في دراسة وظائف الجينات وبناء نماذج للأمراض واستكشاف تطبيقات زراعية وطبية. كما كشف تحديات عملية، منها إيصال الأداة إلى الخلية المطلوبة والتعديلات غير المقصودة وتفاوت النتائج قبل الاستخدام السريري.

حقن فريق بقيادة جونجيو هوانغ في جامعة صن يات-صن كريسبر-كاس9 في 86 جنيناً بشرياً ثلاثي الأنوية غير قابل للحياة، بهدف تصحيح الطفرة المسببة لثلاسيميا بيتا. حمل 4 أجنة فقط من أصل 71 نجت التعديل المطلوب، ورافقت العملية طفرات فسيفسائية وأخرى غير مقصودة. رفضت مجلتا Nature وScience نشر الدراسة لأسباب أخلاقية قبل أن تنشرها Protein & Cell؛ ومع ذلك أثبتت الدراسة إمكان تعديل الأجنة البشرية، ودفعت المجال، قبل تجربة خه جيانكوي عام 2018 بسنوات، إلى مواجهة حقيقة أن التقنية لم تكن جاهزة بعد لأي تعديل قابل للتوريث.

دمج أليكسيس كومور وفريق ديفيد ليو نسخة معطّلة وظيفياً من Cas9 مع إنزيم منزوع أمين السيتيدين، فابتكرا 'محرر قواعد' قادراً على تحويل زوج قواعد C:G مباشرة إلى زوج T:A عند موضع مختار. ولأن العملية لم تقطع العمود الفقري لـDNA إطلاقاً، أنتجت إدراجات وحذوفات عشوائية أقل بكثير من Cas9 التقليدي. منحت التقنية الباحثين أداة دقة ثانية إلى جانب أسلوب القص والإصلاح الأصلي، أنسب لتصحيح الأمراض الوراثية الكثيرة الناجمة عن طفرة في حرف واحد.

في مستشفى غرب الصين بمدينة تشنغدو، استخلص فريق طبيب الأورام لو يو خلايا تائية من مريض مصاب بسرطان رئة متقدم من النوع غير صغير الخلايا، واستخدم كريسبر-كاس9 لتعطيل جين PD-1 الذي يكبح استجابة المناعة عادة، ثم أعاد حقن الخلايا المعدّلة. كانت هذه أول مرة تُعطى فيها خلايا بشرية معدّلة بكريسبر لمريض، قبل أشهر من تجارب أميركية مماثلة. وأكدت الدراسة، التي ضمت لاحقاً 22 مريضاً في مرحلتها الأولى، أن النهج مجدٍ وآمن، ما فتح الباب أمام علاجات خلوية أوسع قائمة على كريسبر.

أعلن الباحث الصيني خه جيانكوي ولادة أطفال عُدلت أجنتهم وراثياً، من دون حاجة طبية مقنعة أو رقابة مقبولة. ولأن التغييرات التي تجرى على الأجنة قد تُورث، فقد يمتد أي أثر غير مقصود إلى ما بعد الفرد نفسه. أثارت الواقعة إدانة دولية، وكشفت أن القدرة التقنية قد تتقدم أسرع من القواعد الأخلاقية والشفافية والحوكمة اللازمة لضبط استخدامها.

دمج أندرو أنزالوني، في مختبر ديفيد ليو، إنزيم Cas9 بصيغة النيكيز مع إنزيم ناسخ عكسي مصمم هندسياً، يوجَّه بحمض نووي ريبي دليل يجمع بين تحديد الموضع المستهدف وترميز التعديل المطلوب. يستطيع النظام تنفيذ إدراجات وحذوفات موجهة وجميع التحويلات الاثني عشر الممكنة بين القواعد، من دون قطع شريطي DNA أو الحاجة إلى قالب مانح منفصل. تشير التقديرات إلى أن Prime Editing قادر على تصحيح نحو 90% من المتغيرات الجينية البشرية المسببة للأمراض المعروفة، ما يجعله من أكثر أدوات التعديل تعدداً في الاستخدامات حتى اليوم.

كرّمت لجنة نوبل عمل شاربنتييه ودودنا عام 2012 في إعادة برمجة كريسبر-كاس9 كوسيلة لتعديل الجينوم، ووصفتها بأنها من أحدّ أدوات التقنية الجينية. كانت هذه أول جائزة نوبل علمية تتقاسمها امرأتان، ومُنحت خلال أقل من عقد على الاكتشاف الذي كرّمته، وهي فترة قصيرة لافتة تعكس السرعة التي أعادت بها كريسبر تشكيل علوم الأحياء والزراعة والطب.

خلافاً لـCasgevy الذي يعدّل الخلايا خارج الجسم، يُحقن NTLA-2001 مباشرة في مجرى الدم، محمولاً داخل جسيمات دهنية نانوية توصله إلى الكبد، حيث يُعطّل بشكل دائم الجين المسؤول عن إنتاج بروتين مطوي بشكل خاطئ يسبب الداء النشواني الوراثي المرتبط بالترانستيريتين. خفّضت جرعة واحدة مستوى بروتين TTR في الدم بنسبة وصلت إلى 87% خلال أسابيع. كان ذلك أول دليل سريري منشور على أن مكونات كريسبر يمكن إيصالها إلى مريض حي وتعديل جين مستهدف في موضعه، من دون سحب أي خلية من الجسم.

وافقت إدارة الغذاء والدواء الأميركية على علاج Casgevy لفئة من مرضى فقر الدم المنجلي بعمر 12 عاماً فأكثر. تُجمع الخلايا الجذعية المكوّنة للدم من المريض، وتُعدّل خارج الجسم لزيادة الهيموغلوبين الجنيني، ثم تُعاد بعد علاج تحضيري مكثف. أثبتت الموافقة أن كريسبر يمكن أن يقدم فائدة سريرية، لكن العلاج ما زال معقداً ومكلفاً ويتطلب مراكز متخصصة.

بعد أسابيع من اعتماده لفقر الدم المنجلي، وافقت إدارة الغذاء والدواء الأميركية على استخدام Casgevy لعلاج ثلاسيميا بيتا المعتمدة على نقل الدم، وهو مرض يشترك في الجين المستهدف نفسه. تلتها المفوضية الأوروبية في فبراير 2024، ومنحت هيئات تنظيمية في بريطانيا ودول أخرى تصاريح خلال عامي 2023 و2024، ليصبح أكثر من 8,000 مريض إضافي مؤهلين للعلاج. أظهر هذا التوسع السريع عبر جغرافيات متعددة أن علاجاً واحداً معتمداً قائماً على كريسبر يمكن أن يتحول إلى خط علاجي سريري حقيقي لا مجرد علاج فردي.