CRISPR: Bakterilerin Savunma Sisteminden İnsanlığın Genetik Devrimine

Bilim tarihinde bazı keşifler vardır ki yalnızca yeni bir bilgi sunmakla kalmaz, aynı zamanda geleceği de şekillendirir. CRISPR-Cas teknolojisi de bu keşiflerden biri. Günümüzde genetik hastalıkların tedavisinden kanser araştırmalarına, tarımsal biyoteknolojiden enfeksiyon hastalıklarının teşhisine kadar çok geniş bir alanda ismini sıkça duyduğumuz bu sistemin aslında oldukça uzun bir geçmişi var.

Bir bakterinin, kendisine saldıran virüsün genetik bilgisini hafızasına kaydedip aynı saldırıyla tekrar karşılaştığında onu etkisiz hale getirebildiğini düşünün. CRISPR tam olarak bunu yapıyor. Daha da etkileyici olan ise, günümüzde bilim insanlarının bu doğal mekanizmayı alıp programlanabilir bir gen düzenleme aracına dönüştürmüş olması. Bugün laboratuvarda herhangi bir genin hedeflenebilmesi, susturulabilmesi veya değiştirilebilmesi büyük ölçüde CRISPR sayesinde mümkün hale gelmiştir.

CRISPR’ın hikâyesi 1987 yılında Japonya’da başladı. Araştırmacılar Escherichia coli bakterisinin genomunu incelerken anlam veremedikleri bazı tekrarlayan DNA dizileri keşfettiler. O dönemde bu dizilerin ne işe yaradığı bilinmiyordu ve keşif uzun süre bilim dünyasında büyük ilgi görmedi. 1990’lı yıllarda ise İspanyol araştırmacı Francisco Mojica, aşırı tuzlu ortamlarda yaşayabilen arkeleri incelerken aynı dizilerle tekrar karşılaştı. Bu tekrarların farklı mikroorganizmalarda da bulunduğunu fark etmesi, olayın sıradan bir genetik anormallikten çok daha önemli olduğunu gösteriyordu. Mojica, yıllar süren çalışmalar sonucunda bu sistemin bakteriler ve arkeler arasında son derece yaygın olduğunu ortaya koydu. Evrimsel açıdan bu kadar korunmuş bir yapının hayati bir işlevi olması gerektiği açıktı. 2002 yılında bu gizemli diziler resmi olarak “CRISPR” adını aldı. Aynı dönemde bu bölgelere komşu bulunan özel proteinleri kodlayan genler de tanımlandı ve bunlara “Cas” (CRISPR-associated) genleri adı verildi. Ancak asıl büyük kırılma noktası 2005 yılında yaşandı. Araştırmacılar CRISPR bölgelerinde bulunan “spacer” adı verilen dizilerin aslında bakterilere saldıran virüslerin genetik parçaları olduğunu keşfettiler. Bir başka ifadeyle bakteriler, daha önce karşılaştıkları virüslerin genetik kimliklerini kendi genomlarında saklıyordu.

Bakterilerin Bağışıklık Hafızası

İnsan bağışıklık sisteminin hastalık etkenlerini tanıyıp hatırlaması gibi bakteriler de CRISPR sistemi sayesinde daha önce karşılaştıkları virüsleri hatırlayabiliyor. Bir virüs bakteriye saldırdığında Cas proteinleri viral DNA’nın küçük parçalarını keserek bakterinin genomundaki CRISPR bölgesine yerleştiriyor. Böylece hücre, gelecekte karşılaşabileceği tehditlere karşı genetik bir hafıza oluşturuyor. Aynı virüs tekrar saldırdığında bu kayıtlar devreye giriyor. Hücre, virüsün genetik materyalini tanıyarak Cas proteinlerini yönlendiriyor ve istilacı DNA’yı parçalayarak enfeksiyonu engelliyor. Bu mekanizma biyolojinin en etkileyici savunma sistemlerinden biri olarak kabul ediliyor.

CRISPR Nasıl Bir Gen Düzenleme Aracına Dönüştü?

Bilim insanlarının asıl başarısı, bu doğal savunma sistemini laboratuvarda programlanabilir hale getirmeleri oldu. 2012 yılında Jennifer Doudna, Emmanuelle Charpentier ve çalışma arkadaşları CRISPR sisteminde bulunan iki farklı RNA molekülünü tek bir rehber RNA (sgRNA) halinde birleştirdiler. Böylece Cas9 enzimi istenilen herhangi bir DNA bölgesine yönlendirilebilir hale geldi. Bir yıl sonra Feng Zhang ve ekibi bu sistemin insan hücrelerinde de çalıştığını gösterdi. Artık araştırmacılar yalnızca hedef genin dizisini belirleyip buna uygun bir rehber RNA tasarlayarak genomun istedikleri noktasına müdahale edebiliyordu. Bu gelişme genetik mühendisliğinde gerçek anlamda bir dönüm noktasıydı.

Cas9: Moleküler Bir Makas

CRISPR sisteminin merkezinde Cas9 adlı protein bulunur. Cas9’u bir çeşit moleküler makas olarak düşünebiliriz. Rehber RNA hedef DNA dizisini bulduğunda Cas9 aktive olur ve DNA’nın her iki zincirini keser. Oluşan bu kırık hücrenin doğal onarım mekanizmalarını devreye sokar.

Bilim insanları bu süreçten yararlanarak:

Kısacası Cas9, genom üzerinde son derece hassas bir düzenleme yapılmasını sağlar.

CRISPR Neden Bu Kadar Hızlı Yaygınlaştı?

CRISPR’dan önce de gen düzenleme teknolojileri vardı. Özellikle ZFN ve TALEN sistemleri uzun yıllar boyunca kullanıldı. Ancak bu yöntemlerin ortak bir problemi vardı: Her yeni hedef için karmaşık protein mühendisliği gerekiyordu. CRISPR ise çok daha basit bir yaklaşım sundu. Cas9 proteini sabit kalıyor, yalnızca rehber RNA değiştiriliyordu. Yeni bir hedef belirlemek için haftalarca protein tasarlamak yerine birkaç gün içinde yeni bir RNA sentezlemek yeterli hale geldi. Bu durum maliyetleri büyük ölçüde düşürdü ve teknolojinin dünyanın dört bir yanındaki laboratuvarlara ulaşmasını sağladı.

Tıpta CRISPR Devrimi

CRISPR’ın en heyecan verici kullanım alanlarından biri tıp. Günümüzde orak hücre anemisi, beta talasemi ve bazı kalıtsal bağışıklık sistemi hastalıklarında CRISPR temelli tedaviler klinik uygulamaya ulaşmaya başladı. Ayrıca araştırmacılar kanser hücrelerini daha etkili hedefleyebilen bağışıklık hücreleri geliştirmek için de CRISPR kullanıyor. Laboratuvar ortamında oluşturulan hastalık modelleri sayesinde yeni ilaçların geliştirilmesi de önemli ölçüde hızlandı. Önceden genetik olarak değiştirilmiş fare modellerinin oluşturulması aylar sürerken, CRISPR sayesinde aynı işlemler çok daha kısa sürede gerçekleştirilebiliyor. Bu da araştırma süreçlerini hem hızlandırıyor hem de maliyetleri azaltıyor.

Ülkemizde de CRISPR-Cas9 teknolojisinin gelişimine katkı sunan çalışmalar devam etmektedir. Son yıllarda üniversiteler ve TÜBİTAK destekli araştırma merkezlerinde yürütülen çalışmalar, özellikle genetik hastalıkların tedavisi, kanser araştırmaları ve tarımsal biyoteknoloji alanlarında yoğunlaşmıştır.

Görüldüğü üzere CRISPR-Cas sistemi, bakterilerin doğal savunma mekanizmasından doğarak günümüz biyoteknolojisinin en güçlü araçlarından biri haline gelmiştir. Genetik hastalıkların tedavisinden tarımsal uygulamalara kadar geniş bir kullanım alanına sahip olan bu teknoloji, gelecekte hayatımızda çok daha önemli bir yer edinecek gibi görünüyor.

Yazımın sonuna benim de oldukça fayda gördüğüm daha detaylı bir kaynak bırakıyorum. Bilimin sınırlarını her geçen gün biraz daha ileri taşıyan bu heyecan verici gelişmeleri birlikte takip etmek dileğiyle, bir sonraki yazıda görüşmek üzere.

Tastan, Cihan & Sakartepe, Erhan. (2018). CRISPR Genom Modifikasyonları T101.