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क्रिस्प्र जीन एडिटिंग तकनीक

परिचय

जीनोम एडिटिंग (जिसे जीन एडिटिंग भी कहा जाता है) प्रौद्योगिकियों का एक समूह है जो वैज्ञानिकों को किसी जीव के डीएनए को बदलने की क्षमता देता है। ये प्रौद्योगिकियां जीनोम में विशेष स्थानों पर आनुवंशिक सामग्री को जोड़ने, हटाने या बदलने की अनुमति देती हैं। जीनोम संपादन के लिए कई दृष्टिकोण विकसित किए गए हैं। एक प्रसिद्ध को CRISPR-Cas9 कहा जाता है, जो क्लस्टर्ड रेगुलर इंटरस्पेस्ड शॉर्ट पैलिंड्रोमिक रिपीट और CRISPR-संबद्ध प्रोटीन 9 का संक्षिप्त रूप है।CRISPR-Cas9 प्रणाली ने वैज्ञानिक समुदाय में बहुत उत्साह पैदा किया है क्योंकि यह अन्य जीनोम संपादन विधियों की तुलना में तेज़, सस्ता, अधिक सटीक और अधिक कुशल है।

"CRISPR" (उच्चारण "क्रिस्पर") का अर्थ है क्लस्टर्ड रेगुलरली इंटरस्पेस्ड शॉर्ट पैलिंड्रोमिक रिपीट, जो एक जीवाणु रक्षा प्रणाली की पहचान है जो CRISPR-Cas9 जीनोम संपादन तकनीक का आधार बनता है।

जीनोम इंजीनियरिंग के क्षेत्र में, "CRISPR" या "CRISPR-Cas9" शब्द का प्रयोग अक्सर विभिन्न CRISPR-Cas9 और -CPF1, (और अन्य) प्रणालियों को संदर्भित करने के लिए किया जाता है जिन्हें आनुवंशिक कोड के विशिष्ट हिस्सों को लक्षित करने के लिए प्रोग्राम किया जा सकता है। और सटीक स्थानों पर डीएनए को संपादित करने के लिए, साथ ही अन्य उद्देश्यों के लिए, जैसे कि नए नैदानिक ​​​​उपकरणों के लिए। इन प्रणालियों के साथ, शोधकर्ता जीवित कोशिकाओं और जीवों में जीन को स्थायी रूप से संशोधित कर सकते हैं और भविष्य में, सटीक स्थान पर उत्परिवर्तन को ठीक करना संभव बना सकते हैं।

इतिहास

सीआरआईएसपीआर की खोज सबसे पहले स्पेन में एलिकांटे विश्वविद्यालय के वैज्ञानिक फ्रांसिस्को मोजिका द्वारा आर्किया (और बाद में बैक्टीरिया में) में की गई थी। उन्होंने प्रस्तावित किया कि सीआरआईएसपीआर बैक्टीरिया प्रतिरक्षा प्रणाली के हिस्से के रूप में काम करते हैं, जो हमलावर वायरस से बचाव करते हैं। उनमें आनुवंशिक कोड के दोहराए जाने वाले अनुक्रम शामिल हैं, जो "स्पेसर" अनुक्रमों द्वारा बाधित होते हैं - पिछले आक्रमणकारियों के आनुवंशिक कोड के अवशेष। यह प्रणाली एक आनुवंशिक मेमोरी के रूप में कार्य करती है जो कोशिका को आक्रमणकारियों का पता लगाने और उन्हें नष्ट करने में मदद करती है (जिसे "बैक्टीरियोफेज" कहा जाता है) जब वे लौटेंगे. मोजिका के सिद्धांत को 2007 में फिलिप होर्वाथ के नेतृत्व में वैज्ञानिकों की एक टीम द्वारा प्रयोगात्मक रूप से प्रदर्शित किया गया था।

2012 में, शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि किसी भी डीएनए अनुक्रम के लिए कैस न्यूक्लियस (Cas9 का पहली बार उपयोग किया गया था) का मार्गदर्शन करने के लिए आरएनए का निर्माण किया जा सकता है। तथाकथित गाइड आरएनए को इस तरह भी बनाया जा सकता है कि यह केवल उस एक अनुक्रम के लिए विशिष्ट होगा, जिससे इस बात की संभावना बढ़ जाएगी कि डीएनए को उसी स्थान पर काटा जाएगा और जीनोम में कहीं और नहीं। आगे के परीक्षण से पता चला कि यह प्रणाली मानव कोशिकाओं सहित सभी प्रकार की कोशिकाओं में काफी अच्छी तरह से काम करती है।

जनवरी 2013 में, झांग लैब ने माउस और मानव कोशिकाओं में जीनोम को संपादित करने के लिए सीआरआईएसपीआर को इंजीनियर करने की पहली विधि प्रकाशित की।

जीन प्रौद्योगिकी के सबसे तेज उपकरणों में से एक: CRISPR/Cas9 आनुवंशिक कैंची की खोज के लिए इमैनुएल चार्पेंटियर और जेनिफर डौडना को रसायन विज्ञान में नोबेल पुरस्कार 2020 से सम्मानित किया गया है।

क्रिस्पर का कार्य

शोधकर्ताओं ने डीएनए को संपादित करने के लिए इस प्रतिरक्षा रक्षा प्रणाली को अनुकूलित किया। वे एक छोटे "गाइड" अनुक्रम के साथ आरएनए का एक छोटा सा टुकड़ा बनाते हैं जो सेल के डीएनए में एक विशिष्ट लक्ष्य अनुक्रम से जुड़ता है (बांधता है), ठीक उसी तरह जैसे आरएनए खंड बैक्टीरिया सीआरआईएसपीआर सरणी से उत्पन्न करते हैं। यह गाइड RNA Cas9 एंजाइम से भी जुड़ता है। जब कोशिकाओं में पेश किया जाता है, तो गाइड आरएनए इच्छित डीएनए अनुक्रम को पहचानता है, और कैस9 एंजाइम बैक्टीरिया में प्रक्रिया को प्रतिबिंबित करते हुए, लक्षित स्थान पर डीएनए को काटता है।हालाँकि Cas9 वह एंजाइम है जिसका उपयोग सबसे अधिक किया जाता है, अन्य एंजाइमों (उदाहरण के लिए Cpf1) का भी उपयोग किया जा सकता है। एक बार जब डीएनए कट जाता है, तो शोधकर्ता आनुवंशिक सामग्री के टुकड़ों को जोड़ने या हटाने के लिए, या मौजूदा खंड को एक अनुकूलित डीएनए अनुक्रम के साथ बदलकर डीएनए में परिवर्तन करने के लिए कोशिका की अपनी डीएनए मरम्मत मशीनरी का उपयोग करते हैं।

ये तकनीकें शोधकर्ताओं को जीन के कार्य का अध्ययन करने की अनुमति देती हैं।

शोध से यह भी पता चलता है कि CRISPR-Cas9 का उपयोग आनुवंशिक बीमारी के इलाज के प्रयास में मानव जीनोम के तीन-अरब-अक्षर अनुक्रम में "टाइपो" को लक्षित और संशोधित करने के लिए किया जा सकता है।

उपकरण जो CRISPR के कार्य को सक्षम बनाते हैं

1. प्रतिबंध एंजाइम: मूल जीनोम संपादक

2. जिंक फिंगर न्यूक्लिअस: बढ़ी हुई पहचान क्षमता

3. ट्रांसक्रिप्शन एक्टिवेटर-जैसे प्रभावकार न्यूक्लियस: एकल-न्यूक्लियोटाइड रिज़ॉल्यूशन

4. CRISPR-Cas9 जीन संपादन: जीनोम संपादन में क्रांति आ गई

5. आधार संपादन: एकल न्यूक्लियोटाइड प्रतिस्थापन

6. प्राइम एडिटिंग: डबल-स्ट्रैंडेड ब्रेक के बिना संपादन

7. पेस्ट करें: बड़े निवेशन के लिए 'खींचें और छोड़ें' संपादन

रोगों के इलाज में सीआरआईएसपीआर की भूमिका

सीआरआईएसपीआर ने चिकित्सा के क्षेत्र में बहुत सारे अवसर खोले हैं, जिसमें एक बार असाध्य रोगों का इलाज भी शामिल है। चूंकि सीआरआईएसपीआर का उपयोग डीएनए स्तर पर उत्परिवर्तन को ठीक करने के लिए किया जा सकता है, आनुवंशिक विकार वाले लोगों के लिए, सीआरआईएसपीआर एक जीवनरक्षक हो सकता है।

सीआरआईएसपीआर की शुरुआत के बाद से, इसका उपयोग मानव रोगों के इलाज के लिए करने का सपना रहा है। और अब, सिकल सेल और बीटा थैलेसीमिया क्लिनिकल परीक्षणों के आशाजनक परिणामों के साथ, सपना अब एक वास्तविकता है।

हाल ही में ASH 2020 की वार्षिक बैठक में यह घोषणा की गई थी कि SCD वाले तीन रोगियों और बीटा थैलेसीमिया वाले सात रोगियों ने CTX001 थेरेपी प्राप्त करने के एक साल बाद महत्वपूर्ण सुधार दिखाया है। इन आनुवंशिक विकारों के लिए पिछले उपचार विकल्पों में केवल लक्षणों को संबोधित किया गया था, लेकिन CRISPR-Cas9 आनुवंशिक स्तर पर बीमारियों का इलाज करने के लिए तैयार है। क्योंकि वे बीटा-ग्लोबिन जीन में उत्परिवर्तन के कारण होते हैं, दोषपूर्ण बीटा-ग्लोबिन प्रोटीन को बायपास करके सिकल सेल रोग के इलाज के लिए एक विशिष्ट सीआरआईएसपीआर दृष्टिकोण का उपयोग बीटा थैलेसीमिया के इलाज के लिए भी किया जा सकता है।

कैंसर रोगियों के इलाज के लिए सीआरआईएसपीआर मानव परीक्षण भी जल्द ही शुरू होने की उम्मीद है। यह लंबे समय से प्रतीक्षित खबर है, खासकर जब से सीएआर-टी थेरेपी, जिसमें ट्यूमर के इलाज के लिए जीन संपादन भी शामिल है, ने पिछले कुछ वर्षों में काफी संभावनाएं दिखाई हैं।

सीआरआईएसपीआर का उपयोग कृषि, बायोएनर्जी संश्लेषण, रोगों के निदान और रोकथाम, खाद्य उद्योग आदि में भी किया जा सकता है

क्रिस्पर के साथ उच्च-थ्रूपुट स्क्रीनिंग

जीन संपादन में क्रांति लाने के साथ-साथ, सीआरआईएसपीआर अब जीनोमिक स्क्रीनिंग के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है, जो सेल प्रकारों की एक श्रृंखला में जीन फ़ंक्शन की निष्पक्ष पूछताछ की सुविधा प्रदान करता है, जो पहले से अज्ञात आणविक तंत्र को उजागर करता है। CRISPR-Cas9 के साथ पूलित लाइब्रेरी स्क्रीनिंग में कोशिकाओं के एक पूल में विभिन्न आनुवंशिक गड़बड़ी की शुरूआत शामिल है - वे जीन जो जैविक चुनौती के लिए प्रतिरोध या संवेदनशीलता प्रदान करते हैं, उन्हें फिर एकत्रित कोशिकाओं के बड़े पैमाने पर समानांतर अनुक्रमण द्वारा पहचाना जाता है।

लक्षित जीनोम संपादन प्रौद्योगिकियाँ जीव विज्ञान और रोग का अध्ययन करने के लिए शक्तिशाली उपकरण हैं, और इसमें अनुसंधान अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला है। व्यक्तिगत जीन में हेरफेर करने के लिए टूलकिट के तेजी से विकास के विपरीत, जीन अभिव्यक्ति के पूर्ण नुकसान पर आधारित बड़े पैमाने पर स्क्रीनिंग विधियां अब विकसित होने लगी हैं।

CRISPR लाइब्रेरीज़ अभूतपूर्व संपादन दक्षता, सटीकता और गति सहित उच्च-थ्रूपुट स्क्रीनिंग के लिए बड़े लाभ प्रदान करती हैं। यह लेख सीआरआईएसपीआर स्क्रीनिंग के मूल सिद्धांतों और इसके सबसे रोमांचक अनुप्रयोगों के बारे में बताता है, जिसमें सेलुलर सिग्नलिंग नेटवर्क को अनपिक करना, यह पता लगाना कि कैसे सीओवीआईडी ​​​​-19 जैसे वायरस हमारी कोशिकाओं को संक्रमित करते हैं और नई दवा लक्ष्य ढूंढना शामिल है।

उच्च-थ्रूपुट डीएनए अनुक्रमण के आगमन ने हमें जीवन बनाने वाले जीन के बारे में पहले से कहीं अधिक जानकारी दी है।हालाँकि, यह अनुक्रम कैसे कार्य उत्पन्न करता है, इसकी पूरक समझ के बिना अनुक्रमण डेटा का बहुत कम उपयोग होता है।

CRISPR-आधारित निदान

कुशल चिकित्सीय हस्तक्षेप और महामारी विज्ञान निगरानी के लिए रोग का सटीक और समय पर निदान एक शर्त है। न्यूक्लिक एसिड का पता लगाने पर आधारित निदान सबसे संवेदनशील और विशिष्ट हैं, फिर भी ऐसे अधिकांश परीक्षणों के लिए महंगे उपकरण और प्रशिक्षित कर्मियों की आवश्यकता होती है। नैदानिक ​​​​प्रौद्योगिकियों में हाल के विकास, विशेष रूप से नियमित रूप से इंटरस्पेस्ड शॉर्ट पैलिंड्रोमिक रिपीट (सीआरआईएसपीआर) का लाभ उठाने वाले क्लस्टर का उद्देश्य घर पर सटीक परीक्षण को सक्षम करना है।

कोविड-19 महामारी ने पारंपरिक निदान क्षेत्र को चुनौती दी है और विकेंद्रीकृत प्वाइंट ऑफ केयर (पीओसी) समाधानों की आवश्यकता का खुलासा किया है। यद्यपि न्यूक्लिक एसिड परीक्षण को सबसे संवेदनशील और विशिष्ट रोग का पता लगाने का तरीका माना जाता है, पारंपरिक परीक्षण प्लेटफ़ॉर्म महंगे हैं, केंद्रीय प्रयोगशालाओं तक ही सीमित हैं, और कम संसाधन वाली सेटिंग्स में तैनात नहीं किए जा सकते हैं। सीआरआईएसपीआर-आधारित डायग्नोस्टिक्स आणविक निदान के क्षेत्र में क्रांति लाने में सक्षम आशाजनक उपकरण के रूप में उभरे हैं।ये प्लेटफ़ॉर्म सस्ते, सरल हैं और इन्हें विशेष उपकरण के उपयोग की आवश्यकता नहीं है, जिससे पता चलता है कि वे रोग निदान तक पहुंच को लोकतांत्रिक बना सकते हैं। हालाँकि, POC अनुप्रयोगों के लिए मौजूदा प्लेटफ़ॉर्म के उपयोग में कई बाधाएँ हैं, जिनमें नमूना प्रसंस्करण और स्थिरता में कठिनाइयाँ शामिल हैं।

CRISPR का उपयोग कैंसर के इलाज में किया जाता है

उत्परिवर्तित आनुवंशिक अनुक्रमों को सही करने, बाधित करने या बदलने की सीआरआईएसपीआर की क्षमता मानव रोगों के उपचार के रूप में संभावित है। वर्तमान में डचेन मस्कुलर डिस्ट्रॉफी, सिकल सेल रोग, बीटा थैलेसीमिया, वंशानुगत एंजियोएडेमा, लेबर जन्मजात अमोरोसिस, एचआईवी, मधुमेह, साथ ही कैंसर सहित विभिन्न प्रकार की बीमारियों में परीक्षण चल रहे हैं।मई 2022 में, टी-सेल एक्यूट लिम्फोब्लास्टिक ल्यूकेमिया से पीड़ित एक मरीज का स्वस्थ दाता-व्युत्पन्न टी कोशिकाओं के साथ सफलतापूर्वक इलाज किया गया था, जिन्हें कैंसर से लड़ने की क्षमता को बढ़ावा देने के लिए आधार संपादित किया गया था।

बेस एडिटिंग एक ऐसी विधि है जहां एकल-बिंदु उत्परिवर्तन प्राप्त करने के लिए बेस एडिटर देने के लिए Cas9 मशीनरी का उपयोग किया जाता है - और इससे रोगी की सुरक्षा में सुधार हो सकता है क्योंकि यह डबल-स्ट्रैंड ब्रेक की शुरूआत पर निर्भर नहीं करता है। चेन एट अल. कैंसर चिकित्सा विज्ञान के लिए सीआरआईएसपीआर की भी जांच कर रहा है, लेकिन कैंसर कोशिकाओं को चिकित्सीय ट्यूमर कोशिकाओं (टीएचटीसी) में पुन: उपयोग करने के लिए जीन संपादन का उपयोग कर रहा है।सीआरआईएसपीआर का उपयोग करके, ट्यूमर कोशिकाओं को इंटरफेरॉन-बीटा के प्रति प्रतिरोधी बनाया गया और आईएफएन-बीटा और ग्रैनुलोयक्ट-मैक्रोफेज कॉलोनी-उत्तेजक कारक (जीएम-सीएसएफ) सहित इम्यूनोमॉड्यूलेटरी एजेंटों को जारी करने के लिए इंजीनियर किया गया। टीएचटीसी तब चूहों में ग्लियोब्लास्टोमा ट्यूमर को खत्म करने में सक्षम थे, जिससे कैंसर से जीवित रहने और दीर्घकालिक प्रतिरक्षा में वृद्धि हुई।

क्रिस्पर की सीमाएँ

CRISPR/Cas एक अत्यंत शक्तिशाली उपकरण है, लेकिन इसकी महत्वपूर्ण सीमाएँ हैं। यह है:

बड़ी संख्या में परिपक्व कोशिकाओं तक सीआरआईएसपीआर/कैस सामग्री पहुंचाना मुश्किल है, जो कई नैदानिक ​​​​अनुप्रयोगों के लिए एक समस्या बनी हुई है। वायरल वैक्टर सबसे आम वितरण विधि है।

100% कुशल नहीं है, इसलिए सीआरआईएसपीआर/सीएएस लेने वाली कोशिकाओं में भी जीनोम संपादन गतिविधि नहीं हो सकती है।

100% सटीक नहीं है, और "ऑफ-टार्गेट" संपादन, दुर्लभ होते हुए भी, गंभीर परिणाम हो सकते हैं, खासकर नैदानिक ​​​​अनुप्रयोगों में।