CRISPR-Cas9: Yüksek Kalitede Gen Müdahalesini Mümkün Kılan Teknik Geliştirildi!

MIT, Broad Enstitüsü ve Rockefeller Üniversitesi'ndeki araştırmacılar yaşayan organizmaların genomlarını gen ekleyip çıkararak kesin olarak değiştirmek için yeni bir teknik geliştirdiler. Araştırmacılar bu yeni tekniğin biyoyakıt üreten organizmaları değiştirmenin; insan hastalıkları üzerinde çalışmak için genetiği değiştirilmiş hayvan üretmenin ve yeni terapiler geliştirmenin daha ucuz ve kolay kullanılabilen bir yol olabileceğini söylüyorlar.

Yeni gen-değiştirme tekniğini üretmek için, araştırmacılar normalde virüs istilalarına karşı bakteriye koruma sağlayan proteinlerden bir takımını modifiye ettiler. MIT’de Beyin ve Bilişsel Bilimler Bölümü'nde öğretim üyesi ve çalışma grubunun lideri olan Feng Zhang şöyle söylüyor: 

Bu sistemi kullanarak, bilim insanları aynı anda birden fazla genom alanını değiştirebilirler ve yeni genlerin nereye yükleneceği konusunda çok daha fazla kontrole sahip olabilirler. Bir organizmanın değiştirilmesini gerektiren her şey – yeni gen eklemek ya da zaten var olan ile oynamak- bu yeni teknikten faydalanabilecek.

İlk Çalışmalar

İlk genetiği değiştirilmiş fareler 1980'lerde farenin embriyosuna küçük DNA parçaları eklenerek üretilmişti. Bu yöntem şu anda insan hastalıkları çalışmaları için transgenik fare üretiminde yaygın olarak kullanılıyor ancak; DNA’yı genoma rastgele yerleştirdiğinden, araştırmacılar, yeni eklenecek genleri eskileri değiştirecek biçimde hedefleyemiyorlardı.

Son yıllarda, bilim insanları genomu değiştirmenin daha kesin yollarını keşfettiler. Bunlardan biri, homolog rekombinasyonu olarak biliniyor, ilgilenilen genin yanında bunu genin yükleneceği genom bölgesiyle eşleşen dizileri içeren DNA parçalarının eklenmesi. Yine de, bu tekniğin başarı yüzdesi oldukça düşük, çünkü; doğal rekombinasyon süreci normal hücrelerde çok nadir olarak görülüyor.

Son zamanlarda, biyologlar bu yöntemin etkinliğini DNA’yı kesen nükleaz enzimleri ekleyerek artırabileceklerini keşfettiler. Çinko parmaklar nükleaz’ı belirli bir bölgeye taşımak için çok yaygın kullanılıyorlar ama çinko parmak sıraları DNA zincirinin her parçasına ulaşamıyor, bu da onların kullanımını sınırlıyor. Hatta, bu proteinleri birleştirmek pahalı ve yoğun iş gücü gerektiriyor.

TALEN (Transcription activator-like effector nucleases) olarak bilinen yapılar da genomu belirlenen noktalardan kesebiliyorlar ama bu yapılar da çoğunlukla pahalı ve oluşturulması güç oluyor.

Kesin Hedefleme

Zhang'in dediğine göre geliştirilen yeni sistem daha kullanıcı odaklı. Doğal olarak bakteride bulunan ve virüs DNA’sını tanıyıp kesebilen protein-RNA sistemlerini kullanarak araştırmacılar kısa RNA dizilerine bağlanan Cas9 adlı bir nükleaz içeren DNA-değiştirici yapılar üretebiliyorlar. Bu dizilimler genomda belirli bölgeleri hedeflemek üzere tasarlanıyor; uyan parça ile karşılaştıklarında Cas9 DNA’yı kesiyor.

Bu yaklaşım genin işleyişini bozmak ya da başka bir gen ile değiştirmek için kullanılabilir. Geni değiştirmek için, araştırmacılar oluşturulacak yeni gen için DNA kesildikten sonra boş yere kopyalanacak bir DNA örneği eklemek zorundalar. Her bir RNA kesiti farklı bir parçayı hedefleyebilir. Zhang şöyle söylüyor:

Yöntemin güzelliği de burada – bir nükleazı birden çok genom parçasına programlayabiliyorsunuz.

Bu yöntem aynı zamanda oldukça kesin – eğer hedeflenen parça ile programlanan RNA kesiti arasında tek bir baz çifti bile uyuşmuyorsa, Cas9 aktive edilmiyor. TALEN ve çinko parmak kullanımında ise durum böyle olmuyor. Wisconsin Tıp Üniversitesinde bir öğretim üyesi Aron Geurts şöyle söylüyor:

Yeni sistem genom değiştirmede çok büyük bir ilerleme, ilk tekrarında çinko parmak nükleazları ve TALEN’lerin kullanışlılığı ile yarışabilecek durumdaydı. İnsan hastalıklarıyla bağlantılı olduğu için giderek artan genetik varyasyonların deşifre edilmesi bu tarz ölçülebilir ve kesin genom değişimlerini gerektirecek.

Araştırma takımı gerekli genetik içeriği kar amacı gütmeyen Addgene ile depolayarak bu içerikleri aynı sistemi kullanırken ihtiyaç duyabilecek diğer araştırmacılar için ulaşılabilir hale getirdi. Araştırmacılar aynı zamanda bu tekniğin kullanımıyla ilgili anlatımlar içeren bir web sitesi hazırladı.

Yeni Tedaviler Yaratmak

Diğer olası uygulamaların arasında, bu sistem Huntington, tek bir anormal gen sonucu oluştuğu belirlenen bir hastalık, gibi hastalıklar için yeni tedaviler yaratırken kullanılabilir. Çinko parmak kullanarak genlerin işlevsiz bırakıldığı klinik deneylerinin modası artık geçti ve yeni teknoloji daha kullanışlı bir yol yaratabilir.

Sistemin aynı zamanda AIDS hastalığını da hastaların lenfositlerini yok ederek ve CR5 reseptörünü (virüslerin hücreye girişini sağlayan reseptör) mutasyona uğratarak tedavi edebilme olasılığı var. Hastaya tekrar yerleştirildiğinde bu gibi hücreler enfeksiyona direnç gösterebiliyorlar. Bu yaklaşım insan kök hücrelerindeki belirli mutasyonları destekleyerek hastalıkların üzerinde çalışılmasını kolaylaştırabilir. Zhang şöyle anlatıyor:

Bu genom değiştirme sistemini kullanarak, sistematik olarak bağımsız mutasyonlarla kök hücrelerinden nöron ya da kardiyomiyosit oluşturup mutasyonların hücre biyolojisini nasıl değiştirdiğini görebilirsiniz.

Science dergisinde yayımlanan araştırmayı yürüten araştırmacılar, sistemi laboratuarda büyütülmüş hücrelerde denediler ama planları yeni teknolojiyi beyin fonksiyonları ve hastalıklarında çalışırken kullanmak yönünde.