Işıkla Etkinleşen CRISPR, Hassas Gen Düzenleme ve Süper Hızlı DNA Onarımını Tetikler

Yazan: Vanessa Wasta & Rachel Butch

Çeviren: Rabia Selen                     

Düzenleyen: Esranur Maral

Özet: İnsan kanser hücre hatları kullanılarak yapılan bir dizi deneyde, Johns Hopkins Medicinedaki bilim insanları, CRISPR (bir tür gen düzenleme aracı) olarak bilinen bir moleküler neşter kullanarak hızlı bir şekilde genomik malzemede (bir türe ait olan genlerin tümüne genom denir) hassas kesimler yapmak için ışığı başarılı bir şekilde tetiklediklerini ve özelleşmiş hücre proteinlerinin genin kesildiği yeri tam olarak nasıl onardığını gözlemlediklerini söylüyor.

İnsan kanser hücre hatları kullanılarak yapılan bir dizi deneyde, Johns Hopkins Medicinedaki bilim insanları, CRISPR olarak bilinen bir moleküler neşter kullanarak hızlı bir şekilde genomik malzemede hassas kesimler yapmak için ışığı başarılı bir şekilde tetiklediklerini ve özelleşmiş hücre proteinlerinin genin kesildiği yeri tam olarak nasıl onardığını gözlemlediklerini söylüyor.

Science dergisi’nde 11 Haziran 2020’de yayımlanan deneylerin sonuçları sadece DNA onarım süreci hakkında yeni detaylar ortaya çıkarmakla kalmıyor; aynı zamanda araştırmacılar deneyin sonuçlarının, muhtemelen tipik olarak yaşlanmaya ve birçok kansere neden olan DNA etkinliğinin anlaşılmasına ve etkinliğinin hızlandırılmasına yardımcı olacağını söylüyorlar.

“Yeni gen düzenleme sistemimiz, etkinleşmesinden sonra saniyeler içinde hedef alınan DNA’nın kesilmesine izin veriyor. Önceki teknolojilerle, gen düzenleme çok daha uzun, hatta saatlerce bile sürebiliyordu.” diyor Johns Hopkins Medicine araştırma ekibinin bir üyesi olan doktora sonrası araştırmacı Yang Liu.

Güçlü CRISPR aracı, son yıllarda bilim insanlarının DNA dizilerini kolayca değiştirmelerini veya “düzenlemelerini” sağladı ve gen işlevlerine ilişkin araştırmaların hızını arttırmak için gen işlevlerini değiştirdi.

Bakterilerde bulunan doğal olarak oluşan bir gen düzenleme sisteminden uyarlanan CRISPR, bir hücre içindeki belirli bir genomik DNA dizisine eşleşmek ve bağlanmak için kodlanmış bir tür kılavuz olarak RNA adı verilen küçük genetik materyal dizilerini kullanır. CRISPR molekülü, DNA dizisini kesmek için neşter görevi gören Cas9 adlı bir enzim de içerir. Daha sonra hücre, kesilmiş DNA’yı onarmak için kendi enzimlerini ve proteinlerini kullanır ve genellikle bilim insanlarının hücreye aktardığı DNA dizilerini ekler.

Liu, DNA onarım sürecinin incelenmesinin CRISPR kullanıldığında hızlı, hassas ve “talep edildiğinde” DNA’ya zarar verememesi durumları nedeniyle engellendiğini söylüyor.

Yeni deneyler için bilim insanları, CRISPR kompleksinin sadece belirli bir ışık dalga boyuna maruz kaldığında canlı hücrelerdeki genomik DNA’yı kesmesine izin veren ışığa duyarlı bir RNA molekülü tasarlayarak CRISPR-Cas9 kompleksini değiştirdiler.

Johns Hopkinste doktora adayı olan ve ayrıca araştırma ekibinin üyesi Roger Zou, “Tekniğimizin avantajı, araştırmacıların CRISPR makinelerinin geni zamanından önce kesmeden hedefini bulmasını ve ışığa maruz kalana kadar etkisini geri alabilmelerini sağlamaktır.” dedi ve ekledi: “Bu durum, araştırmacıların DNA’nın tam olarak nerede ve ne zaman kesileceği üzerinde daha fazla kontrole sahip olmalarını sağlıyor.”

Bloomberg’in seçkin Biyofizik ve Biyofizik Kimyagerliği Profesörü, Johns Hopkins Üniversitesi Biyofizik ve Biyomedikal Mühendisliği Profesörü ve Howard Hughes Tıp Enstitüsü araştırmacısı doktora dereceli Taekjip Ha; diğer araştırma ekipleri CRISPR zamanlamasını kontrol etmek için hem ilaç hem de ışık etkinleşmesi deneyleri yapmışlardır, diyor. Ekibinin deneyleri, CRISPR makaslamasının kesin zamanlamasını iyileştirmesiyle ve proteinlerin DNA hasarını ne kadar hızlı onardığının incelenmesiyle diğer deneylerden farklılık gösterir.

Mevcut çalışma için, Johns Hopkins Üniversitesi Tıp Fakültesinde biyofizik ve biyofizik kimya yardımcı doçenti olan Taekjip Ha ve Bin Wu liderliğindeki Johns Hopkins ekibi, hücre zarında gözenekler açan ve ışıkla etkinleştirilmiş RNA molekülü ile CRISPR kompleksinin hücrelere girmesine izin veren insan embriyonik[1] böbrek hücreleri ve kemik kanseri hücrelerinin kültürlerine bir elektrik atımı verdi. Daha sonra bilim insanları, CRISPR kompleksinin genomik DNA üzerinde hedeflenen bir noktaya bağlanması için 12 saat bekledi.

Hücrelere ışık tuttuklarında, CRISPR kompleksinin makaslamayı yapması için geçen süreyi takip ettiler.

Ekip, hücrelere ışık tuttuktan sonraki 30 saniye içinde CRISPR kompleksinin hedeflerinin %50’sinden fazlasını kestiğini buldu.

DNA onarımının zamanlamasını daha fazla incelemek için Johns Hopkins bilim insanları, DNA onarımına dahil olan proteinlerin DNA kesimlerine takıldığını izledi. Onarım proteinlerinin CRISPR etkinleşmesinden sonraki iki dakika içinde çalışmalarına başladığını ve onarımın 15 dakika sonra tamamlandığını belirlediler.

Taekjip Ha “Işıkla etkinleştirilen gen kesmenin çok hızlı olduğunu ve biyomedikal araştırmalarda potansiyel olarak geniş uygulamalara sahip olduğunu gösterdik. CRISPR gen kesimlerinin zamanlamasını ortaya çıkarmak, biyolojik süreçleri çok daha net görmemizi sağlıyor.” dedi. Taekjip Ha ve Johns Hopkins ekibi “talep üzerine çok hızlı CRISPR” tekniğini kullandılar.

Taekjip Ha ayrıca ışık etkinleşmesinin, hücrede geniş çapta yayılabilen ilaçlardan daha iyi konum kontrolü imkânı sunduğunu belirtti.

Johns Hopkins ekibi, ayrıca onarım proteinlerinin canlı hücrelerdeki CRISPR kesim bölgesi ile nasıl etkileşime girdiğini görmek için yüksek çözünürlüklü mikroskoplar kullandı.

Normalde insan hücrelerinde bulunan iki gen kopyasından birinin CRISPR kesimini etkinleştirebileceklerini göstermek için bu mikroskopları ve odaklanmış bir ışık demetini kullandılar. Dediklerine göre bu imkân Huntington hastalığı[2] gibi sadece bir anormal gen kopyasına bağlı durumları incelemek ve nihayet tedavi etmek için CRISPR kullanma fırsatları sunuyor.

Taekjip Ha, “DNA hasarı ve etkisini araştırmakla ilgilenen büyük bir araştırma topluluğu var.” diyor. “Geliştirdiğimiz teknoloji bunu incelemek için çok uygun.”

Taekjip Ha, bilim insanlarının genellikle DNA hasarını incelemek için iyonlaştırıcı radyasyon veya kimyasallar kullandığını belirtiyor. Bu yöntemlerin hızlı olsa da belirli bir genomik konuma özgü olmadıklarını söylüyor.

Ekip, bu araştırmada tanımlanan CRISPR teknolojisi hakkında geçici bir patent başvurusunda bulundu.

Bu araştırma; Ulusal Sağlık Enstitüleri Ulusal Genel Tıp Bilimleri Enstitüsü (R35GM122569, GM123130), Ulusal Bilim Vakfı, Pew Charitable Trust; Ulusal Sağlık Enstitüleri Tıp Bilim İnsanı Eğitim Programı Ödülü ve Japonya Yurtdışında Araştırma için Doktora Sonrası Bilim Burslarını Destekleme Derneğinin bağışları ile desteklendi.

Araştırmaya katkıda bulunan diğer bilim insanları arasında Johns Hopkins’ten Shuaixin He, Yuta Nihongaki, Xiaoguang Li ve Shiva Razavi de vardır.

[1] Embriyonik kelimesi embriyoya ait anlamında kullanılıyor. Embriyo ise Yumurtadan meydana gelen, yumurta zarı, yumurta kabuğu ile korunan ya da vücudun içinde bulunan ve gelişmenin erken evrelerinde olan genç organizma anlamına gelmektedir. (Kaynak: TDK, Biyoloji Terimler Sözlüğü, 1998)

[2] Huntington hastalığı, hastaların davranışsal bozukluk, zihinsel yıkım ve kontrol edilemeyen hareketler yaşadığı nadir, ilerleyici bir genetik bozukluktur.