2020 Yılı Nobel Kimya Ödülü: CRISPR-Cas Genom Düzenleme Araçları ve Genetik Mühendisliğinin Tarihi

Genom mühendisliği, genetik çalışmalar yoluyla insanlığa faydalı bir endüstriyi işaret eden zengin bir tarihe sahiptir. DNA çift sarmalından CRISPR’a kadar, bu endüstri büyük keşiflerin önünü açmıştır.

Genetik Mühendisliğinin Tarihi

Genom düzenlemenin geçmişini anlamak, alanın mevcut durumunu kavramak için inanılmaz derecede önemlidir. Bazı önemli olaylar arasında çift sarmalın keşfi, rekombinant DNA (rDNA), insan kanser tedavileri, CRISPR’nin icadı vd’leri yer almaktadır. Bu yazımızda, ayrıntılı bir zaman çizelgesi ile genetik modifikasyon tarihindeki en üretken keşiflerden ve olaylardan bahsedeceğiz.

En eskilerle başlayalım…

1960’lar Öncesi: Gen Düzenleme Tarihinin Öncüsü

Rekombinant DNA’nın (rDNA) yaratılmasından önce gerçekleşen iki ana olay ve 1960’ların genom mühendisliğini biyolojide devrim yapma yoluna koyan diğer önemli keşifleri vardı. 1950’lerin genetik alanındaki keşifleri, gelecekteki genetik, biyoteknoloji ve DNA ile ilgili her şeyin araştırılmasının yolunu açtı.

1953: Çift Sarmalın Keşfi

Rosalind-Franklin.jpg
Rosalind Franklin (Fotoğraf: NIH ABD Ulusal Tıp Kütüphanesi’nin izniyle)

Bugün bize “çift sarmal” olarak tanıdık gelen deoksiribonükleik asidin (DNA) burgulu merdiven yapısının öncülüğünü 1953 yılında James Watson ve Francis Crick yapmış ve modern biyoloji ve genetik çalışmalarına yol açmıştır. Bu durum, bugün bildiğimiz şekliyle genetiği tanımlayan en önemli ilk kilometre taşlarından biriydi ve biyoloji dünyasından gelecek birçok keşfin bel kemiğiydi.

Bu keşif, genetik alanındaki en önemli ilk olaylardan biri olarak kabul edilir, ancak anlatıda genellikle önemli bir kişi eksiktir. Watson & Crick’in kendi keşflerini borçlu oldukları meslektaşları Rosalind Franklin ve onun 1950’lerin başındaki DNA X-ışını kırınım görüntüleri.

1958: İlk Kez Test Tüpünde DNA Yapıldı

arthur-kornberg.jpg
Arthur Kornberg (Fotoğraf: NIH ABD Ulusal Tıp Kütüphanesi’nin izniyle)

Arthur Kornberg, 1950’lerin başlarından itibaren DNA sentezi projesi üzerinde çalışıyordu. 1953’te, beş nükleotidin tümü laboratuvarda sentezlenebildiğinde, odağını DNA sentezi için gerekli kalan faktörlere (yani nükleotitleri birleştirerek DNA veya RNA’yı yapan enzimlere) çevirmeye karar verdi. Bakteri ekstraktlarından (özütlerinden) DNA polimeraz izole etti ve bir yıl içinde ilk kez DNA’yı in vitro olarak (test tüpünde) başarıyla sentezledi. Arthur Kornberg bu çalışması ile 1959 Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülünu kazandı. Babasının izinden giden Roger Roger Kornberg, bundan nerede ise 50 yıl sonra RNA polimeraz konusundaki başarısı için 2006 Nobel Kimya Ödülü’ne layık görüldü.

1960’lar: DNA’yı Keşfetmek ve Bağlantıları Aydınlatmak

Gen düzenleme tarihi için önemli olan, bizi 1960’ların başında Silikon Vadisi’ne geri getiren genetik mühendisliğinin kökenleridir. 60’lar, prokaryotik (bakteri) ve viral (virüs) genetik materyalin yapısı ve işlevi üzerine bir araştırma patlaması yaşadı.

1962: Denizanası Proteini Görünmez Hücresel Süreçleri Gözlemlemek İçin Bir Araca Dönüştü

Yeşil floresan proteini (GFP), Aequorea Victoria denizanasında doğal olarak bulunur ve mavi dalga boyuna maruz kaldığında yeşil bir ışıkla floresan ışık saçar. 1962’de Osamu Shimomura bu proteini izole etti ve araştırmacılar Martin Chalfie ve Roger Tsien onu vazgeçilmez bir biyolojik araç haline getirdiler.

Bu başarı, genetik alanı için inanılmaz derecede önemliydi, çünkü bilim adamları, GFP genini, bir plazmitte ilgilenilen bir protein üreten başka bir gen ile birleştirerek, hangi hücrenin hedef genlerini ifade ettiğini artık belirleyebilirlerdi. 2008 yılında, üç araştırmacı birlikte yeşil floresan proteini keşfettikleri ve geliştirdikleri için Nobel Kimya Ödülü’nü kazandılar.

1967: DNA Ligasyonu, DNA Fragmanlarını Bir Araya Bağladı

DNA ligazlarının keşfi, moleküler biyolojide çok önemli bir nokta olarak kabul edilir, çünkü bunlar tüm organizmalarda DNA’nın onarımı ve replikasyonu için gerekli enzimlerdir. Esasen, bir fosfodiester bağının oluşumunu katalize etmek, DNA zincirlerinin bir araya gelmesine izin verir. Bu, 1960’larda ve 1970’lerin başında, Gellert, Lehman, Richardson ve Hurwitz laboratuvarlarının ortak bir çabası olan ve rekombinant DNA’nın yaratılmasına yol açan diğer “rekombinant” deneylerinin yolunu açmaya yardımcı oldu.

1968: Kısıtlama Enzimlerinin Keşfi

Daniel-Nathans.jpg
Werner Arber (Fotoğraf izniyle NIH ABD Ulusal Tıp Kütüphanesi)

Bu restriksiyon enzimleri fikri, bazı bakteri suşlarının DNA’sını keserek bakteriyofaj enfeksiyonuyla savaştığını fark eden Werner Arber tarafından bir hipotez olarak başladı. Bu moleküler makaslar neden bakterinin kendi DNA’sını kesmiyordu?

Arber, bakteri hücrelerinin iki tip enzim ürettiğini öne sürdü: biri yabancı DNA’yı tanımlayıp kesebilen “restriksiyon” enzimi, diğeri ise konakçı DNA’yı tanıyan ve onu kesmekten koruyan bir “modifikasyon” enzimi. Bu hipotez, iki enzimin E. coli’den izole edildiği bir deneyde kanıtlanmıştır. Modifikasyonu enzim (metilaz) bakterinin DNA’sını korur, restriksiyona enzimi ise fajın (bakeri virüsünün) metillenmemiş DNA’sını keser.

1970’ler: Genetik Mühendisliğinin Beklenmedik Başlangıcı

1972’de araştırmacılar, hem maymunlarda hem de insanlarda bulunabilen bir polyomavirüs olan SV40’ın DNA’sını bir plazmite (vektörlere adı da verilen ve doğal olarak bakterilerde bulunan küçük DNA halkaları)’na klonlayan ilk kimerik rekombinant DNA’yı yarattılar. Gen düzenleme tarihinin bu dönüm noktası, gelecekteki tüm bilim adamları için genetiği şekillendiren temel başarıları işaret etti.

1970: Tip II Restriksiyon Enzimlerinin Saflaştırılması

nathans-hamilton.jpg
Daniel Nathans ve Hamilton Smith (Fotoğraf NIH ABD Ulusal Tıp Kütüphanesi’nin izniyle)

Johns Hopkins Üniversitesi Tıp Fakültesi’nde moleküler biyolog olan Hamilton Smith,  1970’lerde  Haemophilus influenzae Rd bakterisi üzerinde çalışıyordu. 1972’de Hind II olarak adlandırılan ilk bölgeye özgü Tip II restriksiyon enzimini bu bakteriden başarıyla saflaştırdı. O ve ekibi ayrıca Hind II’nin bölgeye özgü bölünme için tanıdığı 6 baz çiftli faj DNA dizisini de tanımladı.

Restriksiyon enzimlerinin DNA’yı nasıl “kestiği” ve konakçı DNA’sının kendini korumak için nasıl çalıştığına dair bu kavrayış, geliştirilmekte olan modern genetik mühendisliği terapilerinin ve CRISPR’nin temelidir.

1971: Gen Birleştirme Deneyi, Rekombinant DNA’nın (rDNA) Yolunu Açtı

Paul Berg, birden fazla türden rekombinant DNA oluşturmayı başaran ve “kes ve yapıştır” yöntemi olarak bilinen ilk bilim insanı oldu. “Yapışkan uçlar” yaratan iki virüsün DNA’sını kesti; DNA daha sonra inkübe edildi, uçlar kendi kendine birleşti ve DNA ligazının eklenmesi onu mühürleyecekti. 

Bu durum, herhangi iki DNA molekülünün kovalent olarak birbirine bağlanmasının mümkün olduğu teorisinin geçerliliğini kanıtladı. Bu başarı, genetik mühendisliği alanında temel bir adım olarak kabul edildi ve rekombinant DNA’nın yaratılmasına yönelik en büyük adımdı.

Paul Berg, “nükleik asitlerin biyokimyası, özellikle rekombinant DNA ile ilgili temel çalışmaları” nedeniyle 1980’de (Walter Gilbert ve Frederick Sanger ile birlikte) Nobel Kimya Ödülü’ne layık görüldü.

1971: DNA’nın Haritalanması İçin Kullanılan Tip II Kısıtlama Enzimleri

İlk kısıtlama restriksiyon enzimleri keşfedildiğinde, Daniel Nathans onları SV40 viral genomu üzerinde test etti. Smith’in keşfettiği restriksiyon enziminin (Hind II) viral genomik DNA’yı 11 parçaya böldüğünü buldu. Gelecekte daha fazla kısıtlama enziminin keşfiyle çalışmalarını genişleten Nathans, DNA dizilerinin haritasını çıkarmada enzimlerinin kullanışlılığını gösterdi. Ayrıca jel elektroforezi kullanarak viral DNA parçalarını ayırabildi. Nathans tarafından yapılan bu sıçrama, Smith’in keşfini bir sonraki seviyeye taşımaya yardımcı oldu ve birçok farklı organizmanın genomunun haritasını çıkarmada gelecekteki kilit çalışmaydı.

1978’de Werner, Nathans ve Smith, restriksiyon enzimlerini keşfettikleri, izole ettikleri ve moleküler genetik problemleri çözmedeki uygulamalar için Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü’ne layık görüldü.

1972: Rekombinant DNA (rDNA) Oluşturuldu

DNA ile yapılan bu deneyler ve keşiflerin hepsi bir ana ana gelişmeye yol açtı: rekombinant DNA’nın (rDNA) yaratılması. Bu rDNA, esasen, farklı organizmalardan gelen DNA elementlerinin kombinasyonu yoluyla yaratılan DNA’dır. Bu keşif, bir organizmadan diğerine genetik materyal getirerek modern genetiğin ilkelerini oluşturdu ve gelecekteki birçok deneyin temeli oldu.

rDNA’nın anahtarı, başka bir organizmaya yapay olarak dahil edilmesine rağmen doğal olarak çoğalabilmesidir ve bu, 1972’de Stanley N. Cohen ve Herbert W. Boyer’in başarılı çalışmalrının sonucu kanıtlandı.

1974: Genetik Mühendisliği Deneyleri Ulusal Akademi Moratoryumu

paul-berg.jpg
Paul Berg (Fotoğraf izniyle NIH ABD Ulusal Tıp Kütüphanesi)

Tüm bu gelişmeler bilim için harikaydı, ancak DNA’yı bir araya getirme konusundaki bu son başarılar, bu deneylerle ilişkili etik tehlikelerin olduğunu da açıkça gösteriyordu. 1974’te tüm genetik mühendisliği deneyleri için Ulusal Bilimler Akademisi geçici bir moratoryum önerdi.

Bu çalışma alanının önemini gören rekombinant DNA öncüsü Paul Berg, Şubat 1975’te bu alanda 100’den fazla bilim insanının katıldığı Asilomar Konferansı’nı düzenledi. Bu konferansta, genetik deneyleri çevreleyen etik fikirlerin birçoğu geliştirildi ve üzerinde anlaşmaya varıldı ve hala modern genetik mühendisliği ile bugüne kadar bu kararlara bağlı kalınmaktadır. 

Stanford profesörü Joshua Lederberg, bu konferanstan rekombinant DNA teknolojisinin hastalıkları tedavi etme potansiyelini vurgulayan güçlü bir ses olarak ortaya çıktı. İyimserliği ve öngörüsü, bu teknolojiyi öjeni veya “süper mikrop” bulaşıcı hastalıklar da dahil olmak üzere hastalıklar için kullanma korkularını bastırdı. Nobel ödüllü Lederberg’in rekombinant teknolojinin gelecekteki başarılı kullanımı konusundaki argümanı, bilim ve biyoteknoloji için altın bir çağ başlattı.

1975: Hibridoma Teknolojisi Teşhiste Devrim Yaratıyor

Bir insan B hücresi, bağışıklık hastalıklarıyla savaşmaya yardımcı olan “monoklonal antikorlar” olarak bilinen özdeş antikorları üreterek, kendisine klonlama konusunda inanılmaz bir doğal yetenek kazandırır. George Kohler ve César Milstein, miyelom hücrelerini (plazma hücrelerinin kanseri) antikor üreten B hücreleriyle birleştirerek (hibrit sistem) bu etkiyi taklit etmenin bir yolunu buldular . Bu füzyon, hücrenin hızla ve sürekli (kanser hücrleri gibi) bölünmesini sağlayarak çok sayıda antikor üreten bir sistem yaratır.

İlginçtir ki, Kohler çok spesifik antikorlar üreten, ancak uzun süre hayatta kalmayan hücreler yaratırken, Milstein spesifikliği bilinmeyen, ancak çoğalan ve sonsuza kadar büyüyen antikorları üreten çalışmalarına birbirinden bağımsız başladılare. Çalışmalarını birleştirerek, bölünen ve bunu yapmaya devam eden ve sınırsız hayatta kalan ve esasen modern genetik teşhis ve immünoloji tedavilerinde devrim yaratan monoklonal antikorları inanılmaz bir hassasiyetle üretebildiler.

1980’ler: İnsanlara Aşılar ve Tedaviler Getirmek

1980’ler, genetik mühendisliği zaman çizelgesinde birçok genetik deneyi gerçek dünya ürünlerine ve fikirlerine dönüştüren ve kabinde 1990’ların manzarasını değiştiren bir zamandı. Aşılara ve tedavilere odaklanan 80’ler, bilimin kendi DNA’mızı kullanarak birçok insan problemini çözme konusundaki kararlılığını açıkça gösteren bir dönemdi.

1981: İlk Transgenik Hayvan

“Transgenik hayvan”, genomuna kasıtlı olarak yabancı bir organizmadan bir gen yerleştirilmiş herhangi bir hayvandır. Günümüzde modern genom düzenleme yöntemleri kullanılarak bilimsel deneyler için transgenik hayvanlar üretilmesi oldukça yaygındır, ancak genetiği değiştirilmiş hayvanların tarihine gelince, bu süreç ilk olarak 1981 yılında Ohio Üniversitesi’nde Thomas Wagner liderliğindeki bir araştırma ekibi ile başlamıştır. Wagner ve ekibi, artık genetikte “DNA mikroenjeksiyon” olarak bilinen standart bir yöntemi kullanarak bir tavşanın genini fare genomuna aktardı. Onların deneyi, sonraki yıllarda devrim niteliğindeki transgenik hayvan deneylerinin yolunu açtı.

1982: Genetiği Değiştirilmiş İlk İnsan İlacı – Sentetik İnsülin

40 yılı aşkın bir süredir biyoteknoloji sahnesinde olan Genentech bilim adamı Dennis Kleid, dünyanın ilk genetiğiyle oynanmış ilacı olan insülinin insanlar için piyasaya sürülmesine yardımcı oldu. İnsülin, geçen yüzyılın büyük bir bölümünde Tip I diyabetli hastaları tedavi etmek için kullanılıyordu. Tarihsel olarak, insülin hayvanlardan (pankreastan saflaştırılarak) hasat edilmiştir. Bu insülin, insan insülinine benzese de birkaç önemli farklılığı vardır. Üstelik 1978’de 23.500 hayvandan saflaştırılan tek bir kilo insülin için 8000 kilo (8 ton) pankreas bezi gerekiyordu. Bu da, Amerika Birleşik Devletleri’nde artan talebi karşılamak için yılda 56 milyon hayvan gerektiriyordu; sentetik bir alternatif açıkça gerekliydi. Bu, Genentech’in tarihinde belirleyici bir an olduğu kadar, insan tüketimi için onaylanan genetiğiyle oynanmış ilaçlar kavramı için de belirleyici bir an olarak kabul edilir.

1983: Polimeraz Zincir Reaksiyonunun (PCR) Gelişimi

Polimeraz zincir reaksiyonunun (PCR) keşfi, belirli bir DNA segmentinin birçok kopyasını yapmak için kullanıldığından, bu teknik sonraki DNA deneyleri ve atılımlarının ayrılmaz bir parçasıydı. Zincirleme reaksiyonu uygulayarak, bir DNA dizisinin herhangi bir kopyası, daha fazla kopya yapmak için çoğaltılır ve binlerce hatta milyonlarca kopya üretebilir.

Kary Mullis tarafından PCR tekniğinin bu keşfi, daha önce binlerce baz çiftine bölünmesini, izole edilmesini ve doğru segmenti bulmak ve ardından onu daha da çoğaltmak için bakteri kolonilerinde çoğaltılmasını gerektiren uzun ve meşşaketli DNA’yı “klonlama” süresini azaltarak DNA’yı bilim adamları için çok daha erişilebilir hale getirdi.

1985: Çinko Parmak Nükleazının (ZFN) Keşfi

Muhtemelen yüksek düzeyde hedeflenmiş genom mühendisliği için ilk teknik çinko parmak nükleazlarının (ZFN) keşfi idi. Bu teknik gen hedeflemenin etkinliğini çeşitli şekillerde geliştirdi. Çinko parmaklar, DNA’yı “tanımaya” yardımcı olarak, birçok farklı hücre ve organizma türünde çeşitli farklı genomik hedefler için ZFN’leri tasarlamayı mümkün kıldı.

Her bir ZFN, spesifik olarak bir dizi üç baz çiftine bağlanır ve daha uzun DNA dizilerini tanımak için ZFN’ler birleştirilebilir. Araştırmacılar, DNA’yı belirli bir yerde parçalayabilen ve DNA’da çift sarmallı bir kırılma oluşturan “genomik makas” oluşturmak için DNA kesme enzimi FokI’yi ZFN DNA bağlama alanına kaynaştırdı. Bir onarım şablonu (kalıp DNA) hücreye birlikte verilirse (transfeksiyon), hücrelerin bir kısmı homolog rekombinasyona uğrayacaktır ve burada hücre ilgili şablonu spesifik kesme noktasına dahil eder.

Bu yeni teknik “ileri” genetik yerine “revers” genetik fikrini desteklemeye yardımcı oldu : klasik ileri genetik çalışmalrında bilim insanları, gende rastgele mutasyonlar üretir ve ardından mutasyondan sorumlu olduğuna inandıkları geni karakterize ederler. ZFN’ler gibi revers genetik teknikleri ile mutasyona neden olan geni tam olarak tespit edip onu değiştirbiliyoruz.

1986: İnsanlar İçin İlk Rekombinant Aşı Onaylandı

1985 ve 86’da bilim adamları Hepatit B için bir aşı geliştirmek için çalışıyorlardı. Daha önce 1963’te Baruch Blumberg, Hepatit için 1981’de piyasaya çıkması onaylanan kandan türetilen bir aşı geliştirdi. Pablo DT Valenzuela, Saccharomyces cerevisiae (maya) hücrelerini kullanarak dünyanın ilk rekombinant aşısını üretti. Bu aşı piyasada çok tutuldu ve kandan elde edilen aşı eldesine son verildi. Aşılar için rekombinant bir süreç oluşturularak; HPV, boğmaca, pnömokok, meningokok, Haemophilus influenzae tip b (Hib) ve zona gibi hastalıklar için bugün hala kullandığımız birçok aşı oluşturuldu.

1988: İlk Bt Mısırı Tarlalarda Görünmeye Başlandı

1980’lerin genetiği değiştirilmiş organizmaları (GDO) piyasaya sürme eğilimini takiben, 1988 GDO’lu bir mahsulün (mısır) resmi olarak Amerika Birleşik Devletleri’ndeki tarlalarda ilk kez ortaya çıktığı yıldı. Bu mısır, Bacillus thuringiensis (Bt) bakterisinin genlerini içerdiği için “Bt mısır” olarak bilindi ve haşerelere karşı dirençli olduğu için yüksek verimlilik sağladı. O zamanlar herbisite dayanıklı bitkiler de merak konusu olsa da, tarlalara ilk giren tütün mozaik virüsüne (TMV) dirençli olan Bt mısır gibi transgenik, haşere korumalı bitkilerdi. Aynı virüse dirençli bir domatesin ilk tarla denemeleri o yıl başladı, ancak 1994 yılına kadar piyasaya çıkmayacaktı.

1990’lar: Klonlama ve GDO’lar

1990’dan 2003’e kadar, İnsan Genomu Projesi, 20 binden fazla genin tanımlandığı ve genomik lokuslarının (kromozom üzerindeki yerlerinin) belgelendiği insan genomunun haritasını çıkarmayı başardı. 2003 yılında ENCODE (DNA Elementleri Ansiklopedisi) projesi, transkripsiyonu kontrol eden düzenleyici elementler de dahil olmak üzere hem protein hem de RNA seviyesinde hareket eden elementler dahil olmak üzere insan genomunun fonksiyonel elementlerinin tam bir listesini oluşturmak amacıyla başladı. 

1993: CRISPR İlkelerinin Keşfi

Birçok kişi, CRISPR’a Jennifer Doudna ve Emmanuelle Charpentier tarafından öncülük edildiğini düşünür, ancak CRISPR (kümelenmiş düzenli aralıklı palindromik tekrarlar) ilkesinin keşfi, Francisco Mojica tarafından Santa Pola bataklıklarındaki bakterilerle yaptığı çalışma sırasında keşfedildi. Bakterilerdeki DNA parçalarının, aralarında düzenli boşluklar olacak şekilde birçok kez tekrarlandığını fark etti.

Sonraki 10 yıl boyunca Mojica, 2003 yılında tekrar eden DNA’nın bakterilere saldıran virüslerle eşleşen DNA parçalarıyla eşleştiğini kritik keşfine kadar bu tekrarları daha derinden incelemeye devam etti. Bu ilke, önümüzdeki on yıl içinde DNA çalışmasında, CRISPR gen düzenleme aracını günümüzün genetik araştırmalarının ön saflarına getiren birçok başka gelişmeye yol açtı.

1994: Olgun Kalmak İçin Üretilen Bir Domatesin Pazara Getirilmesi

Bu domates, Bt mısır ile aynı zamanda onaylandı ve aslında 1994 yılında kamu tüketimi için pazara sunulduCalgene’deki bilim adamları, domateslerdeki “poligalakturonaz” enziminin, hücre duvarı pektininin çözülmesine ve böylece domateslerin market raflarında çabuk bozulmasıına sebep olduğunu biliyorlardı. Bu enzimin “revers” bir kopyasını aktarark bu süreci etkili bir şekilde tersine çevirebildiler. Ürünlerinin olgunlaşmaması nedeniyle, buna “FLAVR SAVR” adını verdiler. Ne yazık ki, başlangıçta çok önemli olan bu keşif, nihayetinde ticari çöküşle sonuçlandı ve tüketici tarfından pek benisenmedi. Bu ürün, insanların tükettiği ürünlerin GDO’lu olmaları durumunda, onların yan etkilerinden korktuklarını göstern ve bu tür ürünleri pazara sunmanın ne kadar zor olabileceğinin mükemmel bir örneğiydi.

1996: Koyun Dolly’nin Klonlanması

bebek
Doly. Fotoğraf The Roslin Institute, The University of Edinburgh’un izniyle

1996’da “Dolly” olarak bilinen koyunun klonlanması, bilimin şimdiye kadar gördüğü halk arasındaki en büyük hikayelerden biriydi. Proje, Roslin Enstitüsü’nden Ian Wilmut tarafından yönetildi. Aynı genetik kimliğe sahip yetişkin bir hücreden klonlanan ilk memeli olan Dolly, doğada bulunan klonlama sürecinin, doğal olarak oluşmadığı organizmalara atfedilebileceğini kanıtlayan büyük bir başarıydı.

Daha sonra 2003 yılında, nesli tükenmekte olan bir hayvanın ilk klonlanması, klonlamanın, yaşamımız boyunca hala burada olmayabilecek hayvan türlerini kurtarmaya nasıl yardımcı olabileceğinin harika bir örneği olan buzağı ile gerçekleşti.

1999: İlk İnsan Kromozomu Dizilendiğinde İnsanlarda Genetik Mühendisliğinin Tarihi Yazıldı

1988’de Amerika Birleşik Devletleri Kongresi, insan genomunun tamamının haritasını çıkarmayı amaçlayan İnsan Genom Projesi’ni finanse etti. Gerçi bu çabanın tamamlanması 2003 yılına kadar gerçekleşmedi. 1999 yılında, bilim adamları en küçük kromozomumuz olan 22. kromozomun tamamen dizilendiğini bildirdiler. Bu çalışma, insan genom projesi için bir kilometre taşıydı ve bu projeye harcanan muazzam zamanın ve dünya çapındaki ortak çabanın boşuna olmadığını kanıtladı. Bu yayın aynı zamanda genetik bilimciler tarafından kullanılan mevcut dizileme yöntemlerinin etkinliğini doğruladı ve insan DNA’sı aracılığıyla belirli hastalıklarla bağlantı konusunda çok değerli bilgiler sağladı.

Şu ana kadar, binlerce başka organizmanın genomu dizilendi ve o zmanlar 3 milyar dolara mal olan bir insanın genomunun dizilenmesi şimdilerde birkaç yüz dolara kadar indi. Genomun ve bilinen öğelerinin elektronik olarak kolayca keşfedilmesine olanak tanıyan UC Santa Cruz Genome Browser ve Ensembl gibi kaynaklar geliştirildi.

2000’ler: İnsan Genomunun Haritası Çıkarıldı: Yeni Düzenlemeler Belirlendi

Genetik manipülasyon tarihindeki daha ileri gelişmeler, 1990’ların sonunda insan genomunun haritalanmasındaki ilerlemeyle görülüyor. Yeni keşifler, kullanılan yöntemlerin gerçekten işe yaradığını gösterdi ve bu da yepyeni deneylerin kapısını açtı.

2001: İlk Gen Hedefli İlaç Tedavisi Onaylandı

Gen tedavisi tarihinde şaşırtıcı bir gelişme hedefli bir gen tedavisinin ABD FDA tarafından onaylanması oldu ve kronik miyeloid lösemiyi (CML) tedavi etmek için bir antikanser ilacı olarak ticarileşti. Bu ilaca Glivec (imatinib) adı verildi ve bugün hala kanser tedavisi ilacı olarak kullanılmaktadır.

2003: Glo-Fish’in Ev Hayvanı Olarak Satışı

Genom düzenleme fikrine daha eğlenceli bir yaklaşım, Alan Blake ve Richard Crockett tarfından genetiği değiştirilmiş bir akvaryum hayvanın geliştirilmesi oldu: “Glo-Fish” yani kelimenin tam anlamıyla “parıldayan bir balık”. Bu işlemde, balıklarda doğal olarak oluşan floresanı kullanarak parlayan yeni nesil balıklar yarattılar.

Balıklardaki floresan proteinle daha önemli bilimsel araştırmalar yapılmış olsa da, halkın genetiği değiştirilmiş organizmaları tüketme fikrine daha açık olduğu bir çağın başlangıcını işaret ediyordu.

2004’te Birleşmiş Milletler, biyoteknoloji mahsullerini gelişmekte olan ülkelerde mücadele eden çiftçileri desteklemenin ve dünyadaki açlık krizini çözmenin bir yolu olarak resmen onayladı .

2006: İlk Koruyucu Kanser Aşısının FDA Tarafından Onayı

2006’da, kanser tedavilerini bulmak için gen düzenlemeyi kullanma konusunda trend olan bir atılım HPV (gential kanserlerden sorumlu insan papilloma virüsü)’ne karşı olan Gardasil‘di . Gardasil, piyasaya ulaşan ilk koruyucu kanser aşısıydı. O zamanlar, sadece 9-26 yaş arası kadınlar için onaylandı, ancak 2009’da 9-26 yaş arası erkekler için de onaylandı. Rekombinant bir aşı olduğu düşünüldüğünde aşının popülaritesi önemliydi.

Gardasil, HPV tip 6, 11, 16 ve 18’e saldırması için bağışıklık sistemini uyararak çalışır. Gardasil uygulandıktan sonra, vücudun bağışıklık sistemi Gardasil’deki viral proteinleri yabancı olarak tanır ve onlara karşı antikorlar geliştirerek gelecekteki enfeksiyonlara karşı bağışıklık sağlar. 

2018 yılına kadar Gardasil, 9-45 yaş arası erkekler ve kadınlar için onaylandı ve piyasada bulunduğu on yılda ve devam eden çalışmalarla etkinliğini gösterdi. Hepatit B aşısı da karaciğer kanseri riskini azalsa da, bugüne kadar bu HPV aşısı hala tek koruyucu kanser aşısıdır.

2006: İlk İndüklenmiş Pluripotent Kök Hücreler (iPSC’ler)

Bu dönemde son derece popüler olan bir başka keşif de “kök hücre” araştırmaları alanındaydı. Embriyonik kök (ES) hücreler pluripotensi yani herhangi bir hücre tipine farklılaşma yeteneğindedirler. Bununla birlikte, tedaviler geliştirmek için kök hücrelerin kullanılması, IVF (tüp bebek) embriyolarından (kullanılmamış olanlar) hücrelerin izolasyonuna dayanmayı içerir.

2006 yılında, Dr. Shinya Yamanaka  ilk uyarılmış pluripotent kök hücre (iPSC) teknolojisini tanıttı. Yamanaka’nın ekibi fibroblastları önce farelerden, daha sonra insanlardan izole etti ve onları dört genetik faktörün (transkrşpsiyon faktörünün) bir karışımının ifadesi yoluyla kök hücre durumuna yeniden programladı. Bu iPSC’ler daha sonra araştırmacıların araştırmak istediği herhangi bir spesifik hücre tipine farklılaşabilir.

2010-2020: FDA Onaylı Tedavilerin Yeni Dönemi

Geçen on yılda, muhtemelen genetik tarihinin en büyük başarısı CRISPR’ın keşfi oldu. Bu keşifle, yıllardır teorik olan ve üzerinde çalışılan geliştirme terapileri nihayet insanlar için onaylanmaya başlandı.

2010: Dünyanın İlk Sentetik Yaşam Formu

Bu çalışma, evrimleşme veya doğmak yerine tamamen inşa edilmiş (yapay) bir canlı organizma anlamına geliyordu. Bu deneyde, Craig Venter ve ekibi tarafından bir 1.08-mega-baz çifti (1.08 milyon nükleotid) genomu olan Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 oluşturuldu ve tamamen sentetik olarak elde edilen yeni M. mycoides hücrelerini oluşturmak için bir M. capricolum alıcı hücresine  nakledildi. 

Bu, genetik dünyasında çok sayıda uygulaması olan yaşamın sentetik olarak yaratılabileceğini kanıtladığı için biyoloji alanında önemli bir aşamaya işaret etti.

2011: TALEN’lerin Keşfi

ZFN’ler ile, genom manipüle edebildiği için devrim niteliğinde bir değişikliği temsil ederken, DNA bağlama alanlarını, ilgilenilen bölgede verimli kesim için tasarlamak oldukça zordur. Bu nedenle tasarım süreci aylar alabilir ve yine de “hedef dışı” (off target) etkilerle tatmin edici olmayan sonuçlar verebilir.

2011 yılında, tasarımcı ya da düzenleyici nükleazların ikinci nesli, bir trinükleotit motifinden ziyade tek bir nükleotidi tanıyan “transkripsiyon aktivatörü benzeri efektör nükleazlar” veya kısa adıyla TALEN’lerdi.  ZFN’lere kıyasla TALEN’lerin tasarımı kolaydır. Etkili TALEN’ler birkaç gün içinde tasarlanıp üretilebilir ve bir seferde yüzlercesi aynı anda kullanılabilir. 

TALEN’lerin genom boyunca daha az az kısıtlaması var gibi görünüyor ve genom boyunca kolayca hedeflenebilirler. TALEN’lerin ayrıca ZFN’lerden daha az hedef dışı etkilere sahip olduğu ve konakçı hücre için daha az sitotoksik (hücre öldürücü) olduğu bulundu. TALEN’ler, ZFN’lere göre açık avantajlara sahipken, aynı zamanda birkaç dezavantajlı özellik de sergilerler. ZFN’lerden önemli ölçüde daha büyüktürler ve bu nedenle in vivo iletilmeleri ve ifade edilmeleri daha zor olabilir. Bu doğrultuda, ZFN’ler ve TALEN’lerle bir geni devre dışı bırakmak oldukça basit olsa da, bu teknolojiyle bir geni devre dışı bırakmak daha karmaşıktır.

2012: CRISPR Genom Mühendislik Aracının Keşfi

Jennifer_Doudna.png

2012 yılında Jennifer Doudna (soldaki foto), Emmanuelle Charpentier ve ekipleri, CRISPR teknolojisinin biyokimyasal mekanizmasını aydınlattı. DNA’da kesin hassas hedefli kesimler yapan CRISPR, tıp, tarım, biyomalzeme vb. alanlarda sonsuz potansiyele öncülük etti.

CRISPR-Cas9, istilacı virüslerden gelen DNA parçalarının bir bakteri nükleazı, CRISPR ile ilişkili protein tarafından koparıldığı, doğada bakteriyel adaptif bir bağışıklık sistemidir. Kesilen DNA parçası, gelecekteki enfeksiyonlarla savaşmak için hafıza olarak kaydedilir. CRISPR-Cas9 sistemi, hedef diziyi tamamlayıcı (komplementer) kılavuz veya rehber RNA tasarlayarak ökaryotik DNA’yı düzenlemek için tasarlanabilir.

Kılavuz RNA, ilgili kesim bölgesine komşu homolojiye sahip 20 baz çiftli bir protospacer (CRISPR’de Cas9 nükleaz tarafından hedeflenen DNA dizisini hemen takip eden 2-6 baz çiftli DNA dizisi) motifine sahiptir. Cas9, kılavuz RNA’daki bu protospacer motifine bağlanır ve bu motif de ilgili bölgeye bağlanır. Cas9 daha sonra genomik DNA’daki bir “protospacer bitişik motifine” (PAM)’a bağlanır ve PAM’ın yukarısındaki üç baz çifti pozisyonunda DNA’da bir çift zincir kırılmasını yani DSB’yi katalize eder. CRISPR-Cas9 kaseti ile bir homoloji kolu sağlanırsa “homoloji yönlendirmeli tamir” yani HDR gerçekleşir, aksi takdirde hücre, ilgilenilen kesim bölgesinde küçük indeller (genoma bazların eklenmesi veya silinmesi) oluşturmak için “homolog olmayan uç birleştirme” yani NHEJ’yi kullanır.

2020 Nobel Kimya Ödülü: Genomu düzenlemek için genetik makas (CRISPR-Cas) kullanmak

2020 Nobel Ödülü bugün verildi. 2020 Nobel Kimya Ödülü, bilim adamlarının genomları düzenlemesine olanak tanıyan bir araç olan CRISPR-Cas9 genetik makasını geliştirdikleri için Emmanuelle Charpentier ve Jennifer A. Doudna’ya verildi.

(Bkz. CRISPR-Cas9 Rehberi)

CRISPR teknolojisinin ne için kullanıldığı, kanser tedavilerinin  geliştirilmesinden  obezite  ile  mücadeleye,  boynuzsuz inekler yaratmaya ve çok daha fazlasına kadar çeşitlilik gösterir. Teşhis, tedavi veya başka bir şey olsun, bu alanda her gün yeni keşifler ön plana çıkıyor.

2013: Ökaryotik Hücrelerde CRISPR Yardımcı Programı Gösterildi

Feng Zhang’ın, ökaryotik hücrelerin genetik manipülasyonunda, bakteri dünyasının dışında CRISPR’nin faydasını gösteren çalışması da aynı derecede önemliydi. Zhang’in laboratuvarı, sinir sistemi bozukluklarını tedavi edecek tedaviler geliştirmek için genetiği değiştirilmiş nöronları kontrol etmek için ışığın  kullanıldığı optogenetik için CRISPR kullanmayı hedefliyor .

2014: Bir Gen Sürücüsünün Olanağının Belirlenmesi

Blog_Gene_Drives_Feature.svg

CRISPR, sayısız hastalık için inanılmaz derecede devrim niteliğinde bir potansiyel tedavi olarak görülse de, Kevin Esvelt, CRISPR gen sürücülerinin (driver) potansiyelini fark ettiğinde CRISPR fikrini tamamen yeni bir düzeye taşıdı. Gen sürücüleri, Mendel yasalarının ötesindeki nesillere aktarımlarını ön plana çıkararak “evrimi aldatan” genetik unsurlardır. CRISPR tabanlı gen sürücüleri, sıtma ve diğer vektör kaynaklı hastalıkların ortadan kaldırılmasında ve ayrıca nesli tükenmekte olan türlerin kurtarılmasında umut verici bir potansiyele sahiptir.

(Bkz. Gen Sürümü: Toplulukları Çökme veya Yükselmeye Doğru Sürükleme)

Esvelt, böyle bir sistemin potansiyel tehlikesinin farkına vardı; küçük bir ekosistemdeki sonuçlar bile felaket olabilir ve böyle bir şey piyasaya sürülmeden önce çok büyük miktarda test yapılması gerekir. Bu nedenle, gen sürücüleriyle ilgili mevcut çalışmalar önemli ve dikkatli önlemler almalıdır.

2015: Kanada Pazarlarında İlk GDO’lu Somon Satıldı

su bolluğu

AquaBounty şirketi tarafından üretilen somon balığı, genetiğiyle oynanmış bir hayvan olarak insan tüketimi için satılan ilk balıktı. Bu süreç 25 yıldan fazla bir süredir yapım aşamasındaydı  ve dünyadaki aşırı avlanma krizine bir çözüm sağlama ihtiyacından dolayı onaylandı .

2015: Bir İnsan Embriyo CRISPR ile Düzenlendi

2015 yılında, CRISPR, Guangzhou’daki Sun Yat-Sen Üniversitesi’nde Junjiu Huang tarafından insan embriyolarını düzenlemek için kullanıldı. Başlangıçta bilimin etik kurallarına uymadığı için Batılı bilim dergileri tarafından reddedilen bu çalışma, daha sonra başka şekillerde yayına girdi. Huang, kalıtımı etkileyen germline (cinsiyet hücrleri olan sperm ve yumurta) hücrelerini değiştirdiği için, kanla ilgili bir hastalığa neden olan bir gen hatasını düzeltmeyi amaçlayan deneyi etik olarak kabul edilmedi ve büyük tartışmalara neden oldu. Bu durum, CRISPR için insan denemelerinin herhangi bir yönetim organı tarafından resmi olarak onaylanmasından üç yıl önceydi.

2017: Kanser için İlk CAR T Tedavisi Onaylandı

2017’de iki CAR T hücre tedavisi onaylandı: biri çocuklarda akut lenfoblastik lösemi (ALL) için, diğeri yetişkinlerde ileri lenfoma için. Bu, CAR T tedavisi için çok büyük bir adımdı; tedavilerin beklendiği kadar etkili olduğu kanıtlanırsa, CAR T insan vücudu için toksik olmadığından ve 10 gün gibi kısa bir sürede tümörler tam tedavisi için potansiyel gösterdiğinden, muhtemelen kanser tedavisinin birincil formu olarak kemoterapinin yerini alacaktır.

2018: CRISPR için İlk İnsan Denemeleri Onaylandı

İki şirketin (Vertex Pharmaceuticals & CRISPR Therapeutics) ortak girişimiyle, kan hücrleri ve popteininin bir hastalığı olan beta-talasemi için deneysel bir tedavi klinik deneylere başlamak için onaylandı. Başarılı olursa, bu tedavi bu bozukluğun vakalarını ve orak hücreli anemiyi sonlandırabilir. Bu durum, gelecekteki CRISPR tedavilerinin önünü açacak ve hastalığın insanlar için tedavi edilme şeklini değiştirecektir.

2019: Prime Editing Tek Dizili Kesimleri Mümkün Kılıyor

Ekim 2019’da, Dr. David Liu’nun laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olan Andrew Anzalone, meslektaşlarıyla birlikte Nature’da prime düzenlemenin geliştirilmesi ve uygulanması hakkında bir makale yayınladı. Bu yeni gen düzenleme tekniği, CRISPR’ın olumsuz etkileri sınırlandırırken hedeflenen küçük eklemeleri, silmeleri ve baz değiştirmeyi kesin bir şekilde gerçekleştirebilirdi. Bu aracı CRISPR’den ayıran şey, çift zincir DNA kesikleri yapmadan hedefli düzenleme (“editing”) yapabilmesidir.

2020: CRISPR Yılı: Nobel Ödülü, Klinik Araştırmaların Başarısı ve Daha Fazlası

Dr Haydar Frangoul with Victoria Gray
Haydar Frangoul (solda) ve Victoria Gray (sağda). İmaj kredisi: Amanda Stults/Sarah Cannon/TriStar Centennial

2020 yazında, CRISPR klinik denemelerinin sonuçları yavaş yavaş gelmeye başladı. Victoria Gray, orak hücre hastalığı tedavisi gören ilk hastaydı ve umut verici sonuçları manşetlere çıkmaya başladı. Altı aydan kısa bir süre sonra, Aralık 2020’de gerçekleşen ASH toplantısında sunulan veriler CTX001 tedavisini alan toplam 10 hastanın önemli ilerleme kaydettiğini gösterdi. Bu hastalardan yedisi beta-talasemi ve geri kalan üçü orak hücreli anemi tedavisi görüyordu. Bu hastaların tümü kanlarındaki fetal hemoglobin (insan fetüsünde ana oksijen taşıyıcı protein) düzeylerinde büyük bir gelişme gösterdi, ağrı nöbetlerinden kurtuldu ve artık kan nakline gerek duymadı. 

CRISPR, Ekim 2020’de Emmanuelle Charpentier ve Jennifer Doudna’nın nihayet CRISPR’nin geliştirilmesi için kimyada Nobel ödülünü kazandığının açıklanmasıyla manşetlere taşındı.

Genetik mühendisliği zaman çizelgesinin bu tarihini beğeneceğinizi umuyoruz, ancak genom mühendisliği yolculuğu henüz bitmedi. Dünya çapında gelişen keşiflerle, insan sağlığı ve hastalıkları ile birlikte tarım, enerji, hayvancılık ve çevre bilimi gibi alanların tümü, bu ilerlemelerden büyük ölçüde fayda sağlayacaktır. CRISPR uygulaması çekiç ve çivi kadar kolay bir araç haline geldikçe, bildiğimiz dünya, genom mühendisliği teknolojisini ileriye taşıyan bilim adamlarının çabalarıyla sürekli olarak daha iyi hale gelecektir.

Kaynak: History of Genetic Engineering and the Rise of Genome Editing Tools


Bir Cevap Yazın

Aşağıya bilgilerinizi girin veya oturum açmak için bir simgeye tıklayın:

WordPress.com Logosu

WordPress.com hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap /  Değiştir )

Twitter resmi

Twitter hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap /  Değiştir )

Facebook fotoğrafı

Facebook hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap /  Değiştir )

Connecting to %s