Daha hızlı, daha ucuz, CRISPR: yeni gen teknolojisi devrimi Understand article

Tartışmalı yeni bir teknoloji, gen düzenlemeyi çok daha ucuz ve daha kolay hale getiriyor – belki de çok kolay?

Nicola Graf’ın izniyle

Bir cümle yazıyorsunuz ve bir harfin yanlış yazıldığını fark ediyorsunuz. Bu hata cümlenin anlamını değiştirecektir, bu nedenle imleci yanlış harfe yönlendirirsiniz, geri al tuşuna basıp, doğru karakteri girersiniz. Bu son derece kolay bir iştir. Şaşırtıcı bir şekilde, bu basit yaklaşım şimdi laboratuvarlarda tekrarlanıyor: bilim adamları yazarlık rolünde,  DNA ise değiştirilen bir mesaj.

Bu durum, son birkaç yılda bilim camiasını kasıp kavuran yeni bir teknoloji olan CRISPR-Cas9’un sunduğu gerçektir. Umut verici önemli biyomedikal gelişmelerin yanı sıra, şimdi beraberinde bazı zor problemleri de getiriyor. Gerçekten de, bu tartışmalı teknoloji, medyada o kadar çok yer buldu ki, fen bilgisi öğretmenleri yakında kendilerini öğrencilerden CRISPR-Cas9 hakkında sorular sorarken bulabilirler. Bu yüzden burada CRISPR-Cas9’un ne olduğuna ve neden önemli olduğuna dair hızlı bir kılavuz sunuyoruz.

CRISPR-Cas9 nedir?

CRISPR-Cas9, bakterilerin viral saldırılara karşı kendilerini savunmak için kullandığı bir sistemdir, ancak son zamanlarda genomları kesin noktalarda kesmek için bir teknoloji olarak kullanılmaya başlandı. Sistem iki bileşenden oluşur: CRISPR ve Cas9. CRISPR, “kümelenmiş düzenli aralıklarla kısa palindromik tekrarlar” anlamına gelir ve bir genom üzerindeki DNA dizisinin tekrarlandığı yerleri ifade eder. Bu tekrarların yanında, sistemdeki önemli enzimleri kodlayan Cas genleri bulunur. Bunlardan biri olan Cas9, bir nükleazdır, yani nükleik asidi (DNA veya RNA) kesen bir enzimdir.

Bir virüs bir bakteriye saldırdığında, nükleik asidini bakteriye enjekte eder ve bu bakteri, viral nükleik asit parçalarını kesmek ve bunları CRISPR bölgelerinde kendi genomuna dahil etmek için Cas enzimleri üreterek yanıt verir (Şekil 1). Bu, bakteri için bazı yararlı kazanılmış bağışıklık sağlar: bir dahaki sefere aynı virüsün aynı türü saldırdığında, viral nükleik asitle birlikte CRISPR konumları kısa RNA moleküllerine kopyalanır. Bu kısa RNA molekülleri önce Cas9 enzimine bağlanır. Daha sonra ortaya çıkan kompleksi, eşleşen bir diziye sahip olan istilacı (virüs) nükleik asidine yönlendirirler. Cas9 daha sonra hedeflenen viral nükleik asidi keserek, virüsün bakteriyi kendini çoğaltmak için ele geçirme yeteneğini devre dışı bırakır.

CRISPR-Cas9: the bacterial defence mechanism
Şekil 1: CRISPR-Cas9: bakteriyel savunma mekanizması. A: Cas9 enzimi

1.Virüs bakteri hücresini istila eder; 2. Virüsten türetilen nükleik asit, CRISPR bölgesinde konumunda bakteri nükleik asidine entegre edilir; 3. CRISPR RNA oluşur; 4. CRISPR RNA, Cas9 enzimine bağlanır; 5. CRISPR RNA, Cas9 enzimini virüse yönlendirir. Cas9, viral genomu keser ve yok eder.

Nicola Graf’ın izniyle

Şekil 2: CRISPR-Cas9 kullanarak gen düzenleme. A: Hedef dizi; B: DNA; C: Kılavuz RNA; D: Cas9; E: Yeni DNA dizisi

 

  1. Rehber RNA hedef DNA dizisine bağlanır;
  2. Cas9 enzimi, rehber RNA’ya bağlanır;
  3. Cas9 enzimi DNA’nın her iki zincirini de keser;
  4. Bakteri onarım sistemi, kesme bölgelerine orijinal DNA’nın yerini alacak yeni DNA sokar.

Nicola Graf’ın izniyle

Fakat bu bakteri sistemi yeni bir genetik teknoloji sağlamak için nasıl uyarlandı? 2012’de, California Berkeley Üniversitesi’nden (ABD) Jennifer Doudna ve daha sonra İsveç’in Umea Üniversitesi’nden Emmanuelle Charpentier ekipleri, kısa RNA moleküllerini tek bir “kılavuz” RNA’ya dönüştürdüler ve bir araya getirdiler (şekil 2). Burada, Cas9’a bağlanabilecek bir ucu korundu, ancak diğer uçtaki diziler, bilinen herhangi bir hedef DNA ile eşleşecek şekilde yapılabilir. Bu özelleştirme kapasitesiyle CRISPR-Cas9, tercih edilen DNA dizilerini özel olarak kesebilir. Kısa bir süre sonra, Feng Zhang’ın Massachusetts Institute of Technology (ABD)’deki laboratuvarı daha da ileri giderek CRISPR-Cas9’un insan ve fare hücrelerinde kesin genomik kesimleri indükleme kapasitesini gösterdi (Cong et al, 2013). Ayrıca bu grup, Cas9’u, DNA’yı biraz farklı bir şekilde kesecek ve hücrelerde belirli bir DNA onarım mekanizmasını uyaracak şekilde ayarladılar. Bu, araştırmacıların orijinal diziyi değiştirerek yeni bir DNA dizisini tam olarak kesilen bölgeye yerleştirdiği anlamına gelir (şekil 2).

Bu öncü çabalarla, CRISPR-Cas9, mikrobiyolojide niş bir konu olmaktan, araştırmacıların genleri farklı amaçlar için büyük bir özgünlük ve kolaylıkla düzenlemesini sağlayan heyecan verici bir araştırma aracına dönüştürüldü.

Ne amaçla kullanılır?

Genetik fonksiyonu incelemek için bilim adamları genellikle, ilgilenilen genin mutasyona uğradığı veya etkisizleştirildiği hücre dizileri veya model organizmalar üretmeye çalışırlar (gen nakavt olarak bilinen bir teknik). CRISPR-Cas9, bunu yapmanın hızlı ve kesin bir yolunu sunar. Ek olarak, Cas9 enzimi, DNA kesme yeteneğini kaybedecek şekilde modifiye edilebilir, ancak yine de rehber RNA sayesinde spesifik DNA dizilerini hedefleyebilir ve bunlara bağlanabilir. Bu, RNA polimerazın bağlanmasını fiziksel olarak bloke etme etkisine sahiptir ve böylece bilim adamlarının gen aktivitesinin başlangıç noktası olan gen transkripsiyonunu kontrol etmesine izin verir.

Bunlar biyomedikal araştırmalarda önemli teknikler olsa da, CRISPR-Cas9 ayrıca sağlık hizmetlerinde daha doğrudan uygulamalar vaat ediyor. Bilim adamları, HIV dizilerini çıkarmak ve virüsün insan hücre dizilerinde çoğalmasını önlemek için CRISPR–Cas9 gen düzenlemesini zaten kullandılar. Ayrıca, Duchenne kas distrofisinden muzdarip farelerde, kas zayıflığına neden olan mutasyona uğramış dizileri ortadan kaldırmak için bu system kullanılmıştır, böylece bu ve benzeri genetik hastalıklardan muzdarip hastalar ve aileleri için terapötik umutlar sunmaktadır. Son zamanlarda, domuz embriyoları, insan transplantasyonu için daha güvenli organlar sağlama umuduyla CRISPR-Cas9 kullanılarak kapsamlı gen düzenlemesine tabi tutuldu.

Peki domuz embriyolarında düzenleme yapıldıysa, insan embriyolarında da yapılabilir mi? Çinli araştırmacıların 2015 yılında 86 insan embriyosunda β-talasemi genini modifiye etmek için CRISPR-Cas9 kullandıklarında tam olarak yaptığı şey buydu (Cyranoski & Reardon, 2015). DNA dizisi, embriyoların dörtte birinden daha azında başarılı bir şekilde değiştirildiği için tekniğin oldukça verimsiz olduğu ortaya çıktı. Ayrıca, bu bulgunun duyurulması, etik yönden çok tartışma yarattı.

Etik konular – ve gelecek

Etik kaygılar sadece insan embriyosu deneyleriyle değil, aynı zamanda germ hattı mühendisliğinin tedirgin edici yönü ile de ilgilidir. CRISPR-Cas9 ile germ hücrelerinde (sperm ve yumurta) gelecek nesillere aktarılabilecek genetik değişiklikler yapmak teorik olarak mümkündür. Bu fikir, genetik hastalıkları ortadan kaldırmak için büyük bir potansiyele sahip olsa da, gelecekte tıbbi tedavi olarak hangi modifikasyonlara izin verilmesi gerektiği sorusunu da beraberinde getiriyor. Zeka veya göz rengi gibi özellikler tıbbi gelişim için uygun kabul edilebilir mi? Bu korkular abartılı görünebilir, ancak başka bir endişe daha var: germ hattı mühendisliğinin gelecek nesiller üzerinde tamamen beklenmedik ve geri döndürülemez etkileri olabilir. Bu özellikle önemlidir, çünkü son genetik araştırmalar, genler ve diğer kalıtsal mekanizmalar arasındaki etkileşimlerin önceden beklenenden çok daha karmaşık olduğunu göstermiştir.

Bu sonuçlar bilim adamlarının dikkatinden kaçmamıştır. Bazıları germ hattı mühendisliği alanının etik mayınlarla dolu olduğu konusunda hemfikir ve insan embriyolarını kullanan herhangi bir CRISPR-Cas9 araştırmasının durdurulması gerektiğine inanıyor. Ancak diğerleri, tam bir moratoryumun uygulanmasının sadece zor olmayacağına, aynı zamanda araştırmaların ilerlemesini de engelleyeceğine inanıyor. Bu kadar farklı bakış açılarına rağmen, bilim camiası, dünya çapında bu konuyla ilgili birçok zirve ve toplantının kanıtladığı gibi, ilerlemenin yolu olarak diyalog ve şeffaflığı seçmiş görünüyor.

Bununla beraber, CRISPR-Cas9’un gelişimi ilerlemeye devam ediyor. İlaç şirketleri, ilaç geliştirme araştırmalarına yardımcı olmak amacıyla teknolojiye yatırım yapıyor ve teknik kusurlar ele alınıp iyileştiriliyor – bu arada tekniğin öncüleri (Doudna/Charpentier ve Zhang) için baş ağrıtıcı bir patent anlaşmazlığı yaşanıyor. Ne olursa olsun, CRISPR–Cas9’un meteorik yükselişi daha yeni başlıyor.


References

Resources

Author(s)

Horace Chan kısa süre önce Almanya’daki Heidelberg Üniversitesi’nde moleküler ve hücresel biyoloji alanında yüksek lisansını tamamladı. Şu anda Heidelberg’deki Alman Kanser Araştırma Merkezi’nde iletişim stajyeri ve daha önce Asya-Pasifik bölgesinden araştırmaları bildiren çevrimiçi bir dergi olan Asian Scientist’e bilimsel makalelere katkıda bulundu.


Review

CRISPR-Cas9, güçlü bir “GPS benzeri” gen düzenleme aracıdır. Birçok bilimsel, tıbbi ve tarımsal uygulamaya kapı açma potansiyeline sahiptir. Tekniğin göreceli basitliği ve düşük maliyeti, önemli etik sorunları gündeme getirmektedir. Ayrıca, patent hakları konusunda bilim adamları arasında yüksek profilli bir dava ile sonuçlandı.

Makale, programlanabilir CRISPR-Cas9 gen düzenleme aracının uygulanması için temel bir bakteriyel savunma sistemi olarak palindromik tekrarların tanımlanmasını açıkça anlatmaktadır. Makale, animasyonlarla birlikte, ilgili moleküler biyoloji tekniklerini ve CRISPR-Cas9’un neden önceki gen düzenleme yöntemlerinin yerini aldığını açıklamak için kullanılabilir. Aynı zamanda germhattı hücre düzenleme ve fikri mülkiyet etrafında etik konularda tartışmalar için temel oluşturabilir. Makaley, kavarama konusunda sorular şunları içerebilir:

  • CRISPR ne anlama geliyor?
  • CRISPR-Cas9 nasıl çalışır?
  • CRISPR-Cas9 kullanılarak ne tür hastalıklar tedavi edilebilir?
  • CRISPR-Cas9 kullanmanın potansiyel riskleri nelerdir?
  • CRISPR-Cas9 kullanımına ilişkin etik sorunlar nelerdir?
  • • CRISPR-Cas9’u keşfettiği için Nobel Ödülü kime verilmeli?

Mary Brenan, Concord Koleji, Birleşik Krallık

License

CC-BY