محققان دانشگاه کالیفرنیا در سانتا کروز (UCSC) از تکنیک CRISPR برای مهندسی مدل‌های سلولی از جنین‌ها استفاده کرده‌اند که آنچه در چند روز اول پس از ملاقات سلول‌های تولیدمثل اتفاق می‌افتد را شبیه‌سازی می‌کند. این ارگانوئیدها، فرهنگ‌های سه‌بعدی و خودسازمانی هستند که جنبه‌هایی از توسعه اولیه جنین را تقلید می‌کنند. دانشمندان می‌توانند از این مدل‌ها برای مطالعه چگونگی تأثیر ژن‌های خاص بر توسعه اولیه، همچنین برای درک بهتر اختلالات توسعه‌ای و بهبود باروری انسانی استفاده کنند.
جزئیات کامل این کار در مقاله‌ای جدید در مجله Cell Stem Cell منتشر شده است که عنوان آن «خودسازمانی سلول‌های بنیادی جنینی به مدل‌های جنینی پیش از مرحله گاسترولاسیون از طریق برنامه‌نویسی CRISPRa» است.
به گفته علی شریعتی، دکترای مهندسی بیومولکولی در UCSC و نویسنده ارشد این مطالعه، تیم او «مشتاق به بازسازی و استفاده مجدد از پدیده‌های طبیعی، مانند تشکیل جنین، در ظرف آزمایشگاهی بودند تا مطالعاتی را انجام دهند که در سیستم‌های طبیعی انجام آن دشوار است.»
در حیواناتی که تمام فرآیند تقسیم سلولی و سازمان‌دهی به جنین چندسلولی در رحم انجام می‌شود، مطالعه مشکلات به‌وجود آمده و ارزیابی تأثیر عوامل خطر خاص دشوار است. شریعتی می‌گوید: «ما می‌خواهیم بدانیم سلول‌ها چگونه خودشان را به یک مدل جنینی شبیه‌سازی شده سازمان‌دهی می‌کنند و چه چیزی ممکن است اشتباه شود زمانی که شرایط پاتولوژیک مانع از توسعه موفق یک حیوان می‌شود.»
برای این مطالعه، تیم از سلول‌های بنیادی موش برای تشکیل بلوک‌های پایه‌ای جنین استفاده کرد. سپس از ویرایشگر اپی‌ژنوم برای هدف‌گذاری به نواحی خاص ژنوم که در توسعه اولیه دخیل هستند و کنترل اینکه کدام ژن‌ها فعال شوند تا انواع سلول‌های مورد نیاز برای توسعه اولیه را القا کنند، استفاده کردند. این رویکرد به سلول‌ها این امکان را داد که به‌طور طبیعی «هم‌توسعه» شوند و شبیه‌سازی‌های دقیقی از شکل‌گیری جنین طبیعی نسبت به روش‌های شیمیایی که در دیگر مطالعات استفاده می‌شود، ایجاد کنند. این همچنین به سلول‌ها اجازه می‌دهد که «تاریخچه همسایگی خود را برقرار کنند»، شریعتی افزود. «ما ژنوم آن‌ها را تغییر نمی‌دهیم یا آن‌ها را در معرض مولکول‌های سیگنال‌دهی خاص قرار نمی‌دهیم، بلکه ژن‌های موجود را فعال می‌کنیم.»
زمانی که ارگانوئیدها را تجزیه و تحلیل کردند، دانشمندان متوجه شدند که 80٪ از سلول‌های بنیادی خودشان را به شکلی سازمان‌دهی می‌کنند که شبیه به یک جنین پایه‌ای است بعد از چند روز. بیشتر آن‌ها فعال‌سازی ژنی را انجام داده بودند که روند توسعه‌ای را که در موجودات زنده اتفاق می‌افتد، منعکس می‌کند. در حقیقت، سلول‌ها به «ورودی خیلی کمی از ما نیاز داشتند—انگار که سلول‌ها قبلاً می‌دانند چه کاری باید انجام دهند و ما فقط کمی هدایت به آن‌ها می‌دهیم»، شریعتی گفت.
علاوه بر این، سلول‌ها رفتار جمعی در حرکت و سازمان‌دهی با هم نشان دادند. شریعتی می‌گوید: «برخی از آن‌ها شروع به انجام این مهاجرت چرخشی می‌کنند، تقریباً شبیه به رفتار جمعی پرندگان یا سایر گونه‌ها.» «از طریق این رفتار جمعی و مهاجرت، آن‌ها می‌توانند این الگوهای جنینی جذاب را شکل دهند.»
دسترسی به ابزارهای ویرایش اپی‌ژنتیکی برای دستیابی به این نتایج ضروری بود. دانشمندان توانستند هم ژن‌ها را در ابتدای فرآیند آزمایش فعال کنند و هم ژن‌های مهم برای سایر قسمت‌های توسعه را تغییر دهند. این به مدل‌های جنینی اجازه می‌دهد که «قابل برنامه‌ریزی» باشند، به این معنی که می‌توان آن‌ها را به‌طور نسبی به راحتی تنظیم کرد تا تأثیر چندین ژن را هنگام توسعه مدل جنینی آزمایش کنند. شریعتی می‌گوید: «این کار پیشگامانه این مطالعه است—قابلیت برنامه‌ریزی و اینکه ما به عوامل بیرونی برای انجام این کار وابسته نیستیم، بلکه کنترل زیادی در درون سلول داریم.» او و همکارانش به این علاقه‌مند هستند که چگونه رویکرد استفاده‌شده در این تحقیق ممکن است برای درک بهتر توسعه در گونه‌های دیگر بدون استفاده از جنین‌های واقعی آن‌ها به کار رود.
