A’dan Z’ye CRISPR-Cas9(Gen Düzenleme) Nedir?

Eylül 2, 2020
A’dan Z’ye CRISPR-Cas9(Gen Düzenleme) Nedir?

CRISPR teknolojisi, genomları düzenlemek için basit ama güçlü bir araçtır. Araştırmacıların DNA dizilerini ve gen işlevini kolayca değiştirmelerine olanak tanır. Pek çok potansiyel uygulaması arasında genetik kusurları düzeltmek, hastalıkların yayılmasını tedavi etmek/önlemek ve ekinleri iyileştirmek yer alıyor. Ancak verdiği söz, etik kaygıları da beraberinde getiriyor.

Popüler kullanımda, “CRISPR”, “CRISPR-Cas9” un kısaltmasıdır. CRISPR’lar özel DNA uzantılarıdır. Cas9 proteini, DNA ipliklerini kesebilen bir çift moleküler makas gibi davranan bir enzimdir.

CRISPR teknolojisi, bakteri ve arkelerin (tek hücreli mikroorganizmaların alanı) doğal savunma mekanizmalarından uyarlanmıştır. Bu organizmalar, virüslerin ve diğer yabancı cisimlerin saldırılarını engellemek için CRISPR’dan türetilmiş RNA ve Cas9 dahil olmak üzere çeşitli Cas proteinlerini kullanır. Bunu öncelikle yabancı bir istilacının DNA’sını parçalayıp yok ederek yapıyorlar. Ancak bizim ilgilendiğimiz kısım bakteriler değil, insanlar! Bu bileşenler diğer daha karmaşık organizmalara aktarıldığında, genlerin manipülasyonuna veya “düzenlenmesine” olanak sağlıyor.

2017 yılına kadar kimse bu sürecin neye benzediğini gerçekten bilmiyordu. 10 Kasım 2017’de Nature Communications dergisinde yayınlanan bir makalede, Kanazawa Üniversitesi’nden Mikihiro Shibata ve Tokyo Üniversitesi’nden Hiroshi Nishimasu liderliğindeki bir araştırma ekibi, bir CRISPR ilk kez faaliyete geçtiğinde nasıl göründüğünü gösterdi.

CRISPR-Cas9: Kilit oyuncular

CRISPR“Düzenli aralıklı kısa palindromik tekrar kümeleri” anlamına gelir. İki farklı özelliğe sahip özel bir DNA bölgesidir: nükleotid tekrarlarının ve ayırıcıların varlığı. DNA’nın yapı taşları olan nükleotidlerin tekrarlanan dizileri, bir CRISPR bölgesi boyunca dağıtılır. Aralayıcılar, bu tekrarlanan diziler arasına serpiştirilmiş DNA bitleridir.

Bakteri durumunda, aralayıcılar daha önce organizmaya saldıran virüslerden alınır. Bakterilerin virüsleri tanımasını ve gelecekteki saldırılara karşı savaşmasını sağlayan bir hafıza bankası görevi görürler.

Bu ilk kez deneysel olarak Rodolphe Barrangou ve bir gıda bileşenleri şirketi olan Danisco’da bir araştırma ekibi tarafından gösterildi. Science dergisinde yayınlanan 2007 tarihli bir makalede araştırmacılar, model olarak yoğurt ve diğer süt kültürlerinde yaygın olarak bulunan Streptococcus thermophilus bakterilerini kullandılar. Bir virüs saldırısından sonra CRISPR bölgesine yeni aralayıcıların eklendiğini gözlemlediler. Dahası, bu ayırıcıların DNA dizisi virüs genomunun parçalarıyla aynıydı. Ayrıca ayırıcıları çıkararak veya yeni viral DNA dizileri yerleştirerek manipüle ettiler. Bu şekilde, bakterinin belirli bir virüsün saldırısına karşı direncini değiştirebildiler. Böylece araştırmacılar, CRISPR’ların bakteri bağışıklığını düzenlemede rol oynadığını doğruladılar.

CRISPR RNA (crRNA): Bir aralayıcı dahil edildiğinde ve virüs tekrar saldırdığında, CRISPR’nin bir kısmı kopyalanır ve CRISPR RNA veya “crRNA” olarak işlenir. CRISPR’nin nükleotid dizisi, tek sarmallı RNA’nın tamamlayıcı bir dizisini üretmek için bir şablon görevi görür. Jennifer Doudna ve Emmanuelle Charpentier’in Science dergisinde yayınlanan 2014 tarihli incelemesine göre, her crRNA bir nükleotid tekrarı ve bir ara bölümden oluşuyor.

Cas9: Cas9 proteini, yabancı DNA’yı kesen bir enzimdir. 

Protein tipik olarak iki RNA molekülüne bağlanır: crRNA ve diğeri tracrRNA (veya “trans-aktive edici crRNA”). İkili daha sonra Cas9’u keseceği hedef bölgeye yönlendirir. Bu DNA genişliği, crRNA’nın 20 nükleotidlik bir uzantısını tamamlayıcı niteliktedir. 

Science dergisinin 2014 tarihli makalesine göre Cas9, yapısında iki ayrı bölge veya “alan” kullanarak DNA çift sarmalının her iki ipliğini de keserek “çift sarmallı kırılma” olarak bilinen şeyi yapar.

Cas9’un bir genomun herhangi bir yerini kesmemesini sağlayan yerleşik bir güvenlik mekanizması vardır. PAM olarak bilinen kısa DNA sekansları (“protospacer bitişik motifler”) etiket görevi görür ve hedef DNA sekansına bitişik oturur. Cas9 kompleksi, hedef DNA sekansının yanında bir PAM görmezse, kesilmez. Nature Biotechnology’de yayınlanan 2014 tarihli bir incelemeye göre, Cas9’un bakterilerde CRISPR bölgesine saldırmamasının olası bir nedeni bu. 

Bir genom düzenleme aracı olarak CRISPR-Cas9

Çeşitli organizmaların genomları, DNA dizileri içinde bir dizi mesaj ve talimat kodlar. Genom düzenleme, bu dizileri değiştirmeyi ve böylece mesajları da değiştirmeyi sağlar. Bu, DNA’da bir kesik veya kırılma ekleyerek ve bir hücrenin doğal DNA onarım mekanizmalarını kandırarak kişinin istediği değişiklikleri yapması için bir yol sağlar.

2012 yılında, Science ve PNAS dergilerinde bakteriyel CRISPR-Cas9’u basit, programlanabilir bir genom düzenleme aracına dönüştürmeye yardımcı olan iki önemli araştırma makalesi yayınlandı.

Ayrı gruplar tarafından yürütülen çalışmalar, Cas9’un herhangi bir DNA bölgesini kesmeye yönlendirilebileceği sonucuna vardı. Bu basitçe, tamamlayıcı bir DNA hedefine bağlanan crRNA’nın nükleotid dizisini değiştirerek yapılabilir. 2012 Science makalesinde, Martin Jinek ve meslektaşları, tek bir “kılavuz RNA” oluşturmak için crRNA ve tracrRNA’yı birleştirerek sistemi daha da basitleştirdiler. Onlar sayesinde artık genom düzenleme için yalnızca iki bileşen gerekiyor: bir kılavuz RNA ve Cas9 proteini. 

Harvard Tıp Fakültesi’nde genetik profesörü olan George Church, “Operasyonel olarak, düzenlemek istediğiniz bir genle eşleşen 20 [nükleotid] baz çifti tasarlarsınız,” dedi. Bu 20 baz çiftine tamamlayıcı bir RNA molekülü oluşturulur. Church, nükleotid sekansının yalnızca hedef gende ve genomun başka hiçbir yerinde bulunmadığından emin olmanın önemini vurguladı. 

DNA kesildikten sonra, hücrenin doğal onarım mekanizmaları devreye girer ve genomda mutasyonlar veya başka değişiklikler meydana getirmek için çalışmaya başlarlar. Bunun gerçekleşmesinin iki yolu vardır. Stanford’daki (Üniversite) Huntington Sosyal Yardım Projesi’ne göre, bir onarım yöntemi iki kesiği tekrar birbirine yapıştırmayı içerir. “Homolog olmayan uç birleştirme” olarak bilinen bu yöntem, hatalara yol açma eğilimindedir. Nükleotidler yanlışlıkla eklenir veya silinir ise bu bir geni bozabilecek mutasyonlarla sonuçlanır. İkinci yöntemde, boşluk bir nükleotid dizisi ile doldurularak kırılma sabitlenir. Bunu yapmak için hücre şablon olarak kısa bir DNA ipliği kullanır. Bilim adamları, kendi seçtikleri DNA şablonunu sağlayabilir, böylece istedikleri herhangi bir geni yazabilir veya bir mutasyonu düzeltebilirler. 

CRISPR-Cas9 Faydaları ve sınırlamalar

CRISPR-Cas9 son yıllarda popüler hale geldi. Uzmanlar bu teknolojinin kullanımının kolay olduğunu ve önceki en iyi genom düzenleme aracından (TALENS olarak adlandırılır) yaklaşık dört kat daha verimli olduğunu belirtiyor.

2013 yılında deneysel bir ortamda insan hücrelerini düzenlemek için CRISPR-Cas9’u kullanmaya ilişkin ilk raporlar, Massachusetts Institute of Technology ve Harvard’ın Geniş Enstitüsü’nden Church ve Feng Zhang’ın laboratuvarlarından araştırmacılar tarafından yayınlandı. İn vitro (laboratuar) ve insan hastalığının hayvan modellerini kullanan çalışmalar, teknolojinin genetik kusurları düzeltmede etkili olabileceğini göstermiştir. Nature Biotechnology dergisinde yayınlanan 2016 tarihli bir inceleme makalesine göre, bu tür hastalıkların örnekleri arasında kistik fibroz, katarakt ve Fanconi anemisi yer alıyor. Bu çalışmalar, insanlarda terapötik uygulamaların yolunu açmaktadır.

New York Genom Merkezi’nden Neville Sanjana ve New York Üniversitesi’nde biyoloji, sinirbilim ve fizyoloji profesörü yardımcı doçenti Neville Sanjana, “CRISPR’nin genel algısının, hastalıkları iyileştirmek için klinik olarak gen düzenlemeyi kullanma fikrine çok odaklandığını düşünüyorum” dedi. “Bu hiç şüphesiz heyecan verici bir olasılık, ancak bu Crispr’ın sadece küçük bir parçası.”

CRISPR teknolojisi, probiyotik kültürleri tasarlamak ve endüstriyel kültürleri (örneğin yoğurt için) virüslere karşı aşılamak için gıda ve tarım endüstrilerinde de uygulandı. Ayrıca mahsullerde verimi, kuraklık toleransını ve besin özelliklerini iyileştirmek için kullanılmaktadır.

Diğer bir potansiyel uygulama, gen sürücüleri oluşturmaktır. Bunlar, belirli bir özelliğin ebeveynden çocuğa geçme şansını artıran genetik sistemlerdir. 2016 Nature Biotechnology makalesine göre gen sürücüleri, hastalık vektörü (dişi Anopheles gambiae sivrisinekleri) arasındaki kısırlığı artırarak sıtma gibi hastalıkların yayılmasını kontrol etmeye yardımcı olabilir. Buna ek olarak, Kenneth Oye ve meslektaşlarının Science dergisinde yayınlanan 2014 tarihli bir makalesine göre gen sürücüleri; istilacı türleri ortadan kaldırmak ve pestisit ve herbisit direncini tersine çevirmek için de kullanılabilir. 

Ancak CRISPR-Cas9’un dezavantajları da var

Doudna ve Charpentier’in 2014 tarihli Science dergisinde yayınlanan makalesine göre pirinçte yapılan bir çalışmada, Cas9-RNA kompleksini alan hücrelerin yaklaşık yüzde 50’sinde gen düzenleme gerçekleşti. Oysa diğer analizler, hedefe bağlı olarak düzenleme verimliliğinin yüzde 80 veya daha fazlasına ulaşabileceğini göstermiştir.

Ayrıca, DNA’nın amaçlanan hedef dışındaki yerlerde kesildiği “hedef dışı etkiler” olgusu da vardır. Bu, istenmeyen mutasyonların ortaya çıkmasına neden olabilir. Ayrıca Church, sistem hedefi kestiği zaman bile, hassas bir düzenleme yapmama şansının olduğunu belirtti. Buna “genom vandalizmi” adını verdi.

Sınırların belirlenmesi

CRISPR teknolojisinin birçok potansiyel uygulaması, genomlarla oynamanın etik değerleri ve sonuçları hakkında sorular doğuruyor. 

2014 Science makalesinde Oye ve meslektaşları, gen sürücülerini kullanmanın potansiyel ekolojik etkisine işaret ediyor. Tanıtılan bir özellik, melezleme yoluyla hedef popülasyonun ötesine diğer organizmalara yayılabiliyorken gen sürücüleri, hedef popülasyonun genetik çeşitliliğini de azaltabilir. 

İnsan embriyolarında ve sperm-yumurta gibi üreme hücrelerinde genetik modifikasyonlar yapmak, germline düzenleme olarak bilinir. Bu hücrelerdeki değişiklikler sonraki nesillere aktarılabildiğinden, germ hattı düzenlemeleri yapmak için CRISPR teknolojisinin kullanılması bir dizi etik kaygıyı artırdı.

Değişken etkinlik, hedef dışı etkiler ve kesin olmayan düzenlemelerin tümü güvenlik riskleri oluşturur. Ek olarak, bilim camiası tarafından bu konuda hala bilinmeyen çok şey var. Science dergisinde yayınlanan 2015 tarihli bir makalede, David Baltimore ve bir grup bilim adamı, etikçi ve hukuk uzmanı, germ hattı düzenlemesinin gelecek nesiller için istenmeyen sonuçların olasılığını artırdığını açıkladı.

Ancak başka etik kaygılar da vardır. Doğmamış insanların rızası olmadan gelecek nesilleri temelden etkileyebilecek değişiklikler yapmalı mıyız? Ya germ hattı düzenlemenin kullanımı, terapötik bir araç olmaktan çıkıp çeşitli insan özellikleri için bir geliştirme aracına dönüşürse? 

CRISPR-Cas9 Hakkında güncel araştırmalar

CRISPR temelli birçok yeni araştırma projesi yapıldı. Tıp için CRISPR tabanlı çözümler geliştiren Kaliforniya merkezli Caribou Biosciences Inc., Berkeley’de teknoloji geliştirme grup lideri olan biyokimyacı ve CRISPR uzmanı Sam Sternberg, “CRISPR sayesinde tarım ve biyolojik araştırmalarda keşiflerin hızı arttı” dedi.

İşte en son bulgulardan bazıları:

  • Nisan 2017’de, bir araştırma ekibi Science dergisinde kan serumu, idrarda ve tükürükte Zika gibi virüs türlerini bulmak için bir CRISPR molekülü programladıklarına dair bir araştırma yayınladı.
  • 2 Ağustos 2017’de bilim adamları Nature dergisinde, bir embriyodaki kalp hastalığı kusurunu CRISPR kullanarak başarılı bir şekilde çıkardıklarını açıkladılar.
  • 2 Ocak 2018’de araştırmacılar, bitkileri hastalığa karşı daha dirençli hale getirmek için CRISPR kullanarak çikolata üretimini tehdit eden mantar ve diğer sorunları durdurabileceklerini açıkladılar.
  • BioNews dergisi tarafından yayınlanan araştırmaya göre, araştırmacılar 16 Nisan 2018’de CRISPR’ı aynı anda binlerce geni düzenleyecek şekilde yükseltti .
Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir


Daha Fazla Bilim

Wardenclyffe Tesla Kulesi

1900’e gelindiğinde Tesla, Wardenclyffe kulesinde ve öncesinde yaptığı çığır açan icatları ve “a…

Bowen Reaksiyon Serisi Nedir?

Bowen reaksiyon serisi, doğal kayaların gözlemlerine ve deneylerine dayanmaktadır. Yaygın m…

Bilim İnsanları Bal Arılarının Evrensel Dilini Çözmeyi Başardı

Bilim insanları, son dönemde arıların birbirleriyle olan iletişimlerine ciddi anlamda yoğunlaştı…

Biraz Bizden Konuşalım: Homo Sapiens Nedir?

“Homo sapiens ne demek? Homo sapiens in anlamı nedir?” gibi sorular soruyorsanız, cevap sizsiniz…

Olmasaydı Olmazdık: Boşaltım Sistemi

Boşaltım sistemi biz insanlarda, kan dolaşımından ürenin ve vücut tarafından üretilen her türlü …

Dünya Yüzeyinin Altında Devasa Bir Okyanus Olabilir

Dünyamız o kadar çok suya sahiptir ki ayaklarımızın altında milyonlarca metreküp su bulunuyor ol…

Tüyler Ürperten 5 Küçük Sürüngen

5. Yassı Solucanlar Çok basit bir yapıları vardır, mikroskobik dünyanın tehlikeli canlılarınd…

Simbiyotik İlişkiler ve Mutualizm: Karşılıkçılık Nedir?

Simbiyotik ilişkiler (Mutualizm), farklı türden organizmalar (yani komünitelerde) arasındaki kar…

Zooloji: Çalışma Alanları ve Alt Dalları

Zooloji Bilimi Nedir? Hayvan bilimi olarak da tanımlanan Zooloji, hayvan popülasyonlarının ya…

Monomer Nedir: Örnekleri, Çeşitleri ve Biyolojik Bakış

Monomer ne demek sorusuyla başlayalım dilerseniz. Monomer, daha büyük moleküller oluşturmak için…

Copy link
Powered by Social Snap