مرور جامعي بر تكنيك‌هاي ويرايش هدفدار ژنوم و ابزارهاي بيوانفورماتيكي آن

Targeted Genome Editing Techniques and its Bioinformatic Tools: A Survey

مهندسي هدف‌دار ژنوم تغيير دقيق ژنوم در بسياري از موجودات زنده با استفاده از نوكلئازهاي مهندسي‌شده كه امروزه به‌عنوان يك تكنولوژي نوظهور با قابليت و قدرت بالا مطرح‌شده، است. همه ابزارهاي مهندسي ژنوم مبتني بر ايجاد شكست دورشته‌اي (DSBs) در جايگاه هدف و سپس ترميم متعاقب آن از طريق يكي از دو مسير نوتركيبي همولوگ (HDR) يا اتصال انتهاهاي غيرهمولوگ (NHEJ) هستند كه از اين طريق قادرند تا تغييرات ژنتيكي مورد نظر و دلخواه را ايجاد كنند. ابزارهاي اصلي ويرايش ژنوم شامل اندونوكلئازهاي انگشت‌روي (ZFNs)، اندونوكلئازهاي افكتور شبه‌فعال‌كننده رونويسي (TALENs) و سيستم كريسپركاس/Crispr)Cas9)هستند. اين قبيل ابزارها با ايجاد تغييرات دقيق در اطلاعات ژنتيكي براي اهداف مختلف، تحول بزرگي را در علوم مختلف به‌خصوص پزشكي، تحقيقات بيولوژيك و بيوتكنولوژي ايجاد نموده‌اند. بهبود بيماري نقص ايمني اكتسابي (AIDS) از طريق تخريب ژن CCR5 با ميانجي‌گري ZFN يكي از مثال‌هاي شاخص به‌منظور نشان‌دادن قابليت بالاي ZFNs در ويرايش ژنوم است. تغيير ژنوم در موجودات زنده غيرمدل با پيدايش TALENs در سال 2010 امكان‌پذير شد. سپس در سال 2013، سيستم CRISPR/Cas9 باعث شد تا دوره جديدي از تحقيقات مربوط به ويرايش ژنوم آغاز شود، به‌طوري كه از آن به‌عنوان انقلابي در بيولوژي ياد مي‌شود. همچنين به‌زودي ويرايش ژنوم امكان درمان بيماري‌هاي ژنتيكي را نيز فراهم خواهد آورد. چشم‌انداز ويرايش ژنوم در توليد محصولات و دام‌هاي با ويژگي‌هاي مفيد نيز اميد‌بخش است. به‌عنوان مثال مي‌توان به توليد قارچ خوراكي مقاوم به قهوه‌اي‌شدن اشاره نمود، كه اين محصول با غيرفعال‌كردن ژن‌هاي كدكننده پلي‌فنول‌اكسيداز توليد شده است. توليد كلزا و برنج مقاوم به علفكش با سيستم CRISPR/Cas9 نيز از اين موارد است. اين قبيل محصولات تحت عنوان محصول ويرايش‌شده‌اي كه تراريخته (GMOs) نيستند، شناخته شده‌اند. در اين مرور به ابزارهاي اصلي ويرايش ژنوم، خلاصه‌اي از كاربرد آنها در بهبود محصولات زراعي و نسل آينده اصلاح گياهان زراعي و منابع اصلي محاسباتي آنها پرداخته خواهد شد.

​Genome editing using targetable nucleases is an emerging technology for precise genome modification in many organisms with hight ability and capability. All targeted genome engineering relies on the introduction of a site-specific double-strand break (DSB) in a pre-determined genomic locus by a rare-cutting DNA endonuclease. Subsequent repair of this DSB by non-homologous end joining (NHEJ) or homology-directed repair (HDR) generates the desired genetic modifications such as gene disruption, gene insertion, gene correction, etc. Three types of endonucleases, namely ZFNs (zinc finger nucleases), TALENs (transcription activator-like effector nucleases), and the CRISPR (clustered regularly interspersed short palindromic regions) associated (Cas9) system have been predominantly utilized for gene editing. Targeted genome engineering or editing enables researchers to modify genomic loci of interest in a precise manner, which has a turning point in medicine, biological research, and biotechnology. Treatment of human immunodeficiency virus (HIV) infection with ZFN-mediated CCR5 gene disruption is one of the indicator examples of the ability of ZFNs in genome editing. The emergence of TALENs in 2010 has enabled the genome modification of non- model organisms, while the emergence of the CRISPR/Cas9 system in 2013 as a revolutionary genome-editing tool has allowed us to anticipate the forthcoming new era of genome editing research. Soon, it is likely that tgenome editing also will provide the possibility of treating genetic diseases. Genome editing is also hoped to be available for use in the generation of crops and livestock with useful traits. An example would be the production of edible fungi resistant to browning by inactivation of the genes encoding polyphenol oxidase in 2016 under the non-GMO genetically edited crop plants and production of herbicide-resistant rice and rapeseed using CRISPR/Cas9 systems. In this article, we review essential genome editing tools, summarize their applications in crop improvement, as well as, next-generation crop breeding and their computational resources will be discussed.