Bakterilere mahsus olan bir enzim, araştırmacıların CRISPR-Cas9 genom düzenleme sistemiyle bile yapılamayan bir uygulamanın başarı ile yapılabilmesine olanak tanıdı. Bu uygulamalar, mitokondri genomlarında (hücrelerin enerji üretiminden sorumlu önemli yapılarında) hedefli değişiklikler yapılabilmesini kapsıyor. Mitokondriler hücrelerde gerçekleşen metabolik olaylar için gerekli enerjinin (oksijenli solunumda) gerçekleştiği organellerdir ve kendilerine özgü genetik materyale sahiptirler.
Genom düzenlenmesinin özgün bir versiyonundan temel alan ve baz düzenlenmesi (base editing) olarak bilinen teknik, araştırmacıların mitokondriyal gonomdaki mutasyonların sebep olduğu hastalıkları incelemek ve hatta tedavi etmek için yeni yollar geliştirilmesine olanak verir. Bu tür bozukluklar genellikle maternal olarak (anneden) kalıtılır, bunun temel sebebi mitokondrinin anneden bebeğe aktarılmasıdır. Son dönemde yapılan çalışmalar babadan bebeğe mitokondriyal genom aktarılabileceğini göstermiştir ancak bu konuda kesin bir yargı yoktur. Hâlâ mitokondrinin anneden bebeğe aktarıldığı savı geçerliliğini korumaktadır. Mitokondriyal genomda meydana gelen bozukluklar, hücrelerin enerji üretme yeteneğini bozar. Mitokondriyal genomda nükleer genomla karşılaştırıldığında daha az sayıda gen bulunur ancak mitokondriyal genomda meydana gelen mutasyonlar özellikle dolaşım sistemine, sinir sistemine ve kaslara zarar verebilir. Mitokondrilerinde bozulma meydana gelen kişiler, bu bozuklukları gelecek nesle aktarırlarsa, bozuklukları miras alan kişiler için ölüme varabilecek sonuçlar oluşabilir.
Ancak bu tür hastalıkları incelemek zordur, çünkü biliminsanlarının mitokondriyal genomda aynı değişiklikleri içeren hayvan modelleri yapabilmesinin bir yolu yoktur. Kullanılan en son teknik, araştırmacıların bu tür hedefli değişiklikleri ilk kez yapabilmelerine olanak sağladı.
Florida’da bulunan Miami Üniversitesi’nde mitokondriyal genom üzerine çalışma yapan Carlos Moraes, böylesi bir araştırma yapılmasının çok heyecan verici bir gelişme olduğunu belirterek “Mitokondriyal DNA’yı değiştirme yeteneği, daha önce soramadığımız sorular sormamıza izin verecektir” açıklamalarında bulundu. 8 Temmuz’da Nature’da yayınlanan çalışmada, bakterilerin virüslerin yıkıcı etkilerinden korunmak için kullandıkları ve keşfinden sonra bilimsel araştırmalarda sıklıkla yararlanılan bir metot haline gelen CRISPR–Cas9’dan faydalanıldı: Biliminsanlarının üzerinde düzenleme yapmak istediği DNA bölgesine Cas9 enzimini yönlendirmek için RNA zinciri kullanılır. Bu yönlendirme hücrenin çekirdeğinde (nukleus) yer alan DNA için iyi çalışır ancak RNA zincirinin zarla çevrili bir organel olan mitokondriye yerleştirilmesi mümkün değildir.
2018 yılının sonlarında biyolog David Liu bir e-mail aldı: Seattle’daki Washington Üniversitesi’nden mikrobiyolog Joseph Mougous yürütücülüğündeki ekip yeni bir enzim keşfetmişti. Burkholderia cenocepacia bakterisi tarafından üretilen toksin, DNA bazlarından sitozine (C) rastladığında onu RNA bazı olan urasile (U) dönüştürüyordu. DNA’da bulunmayan urasil bazı, aslında timin bazı gibi davranır. Böylece hücrenin DNA’sının kopyalanmasında iş gören enzimler onu bir timin gibi algılar ve kopyalar. Böylelikle genom dizisindeki sitozin bazları, timine dönüştürülmüş olur.
Aslında David Liu da baz düzenlenmesi için benzer enzimler kullanmıştı. Bu enzimler, DNA’nın bir bazını diğer bir baza dönüştürmek için CRISPR-Cas9 bileşenlerinin kullanılmasına izin veriyordu. Ancak sitidin deaminaz adı verilen bu enzimler normalde sadece tek iplikçilikli DNA molekülü üzerinde etkilidir. Ancak söz konusu çalışmada odak insan (hayvan) hücrelerinde ise DNA, birbirine sarılı iki iplikçikten oluşur. Eski çalışmalarda Liu ve ekibi, DNA’yı parçalamak ve enzimlerin etki göstermesi için gerekli DNA gölgelerini elde etmek için Cas9 enziminin etkili olduğu CRISPR sistemine güvenmek durumundaydı. Ancak bu tekniği mitokondriyal genom için kullanmak mümkün değildi. Mougous ve ekibinin DddA olarak adlandırdığı enzim ise, doğrudan çift zincirli DNA molekülü üzerinde etkili olabilir. Böylelikle DNA’nın parçalanmasını gerektiren süreçler ortadan kalkabilir. Ayrıca bu durum, DddA’nın mitokondri genomu için de kullanılabileceğini göstermektedir.
Liu’ya göre DddA’yı bir genom düzenleme aracına dönüştürmeden önce “canavarın evcilleştirilmesi gerekiyordu”, çünkü bu enzim kontrol altında tutularak kullanılmazsa elimizdeki DNA örneği üzerindeki tüm sitozinleri mutasyona uğratabilir. Ekip bu durumun önüne geçmek için, enzimi iki parçaya böldü. Enzim, parçalar doğru yönde bir araya getirildiğinde işlemeye başlıyor ve DNA’da değişiklik meydana getiriyordu. Böylelikle enzimin hangi DNA dizisini değiştirdiğini kontrol etmek de mümkün hale geliyordu.
Liu, söz konusu enzimin klinik çalışmalarda kullanılmasının uzun bir süre alacağını belirtti. Aslında ekibin ilk çalışmaları az sayıda hedef dışı DNA değişikliği ile sonuçlanmıştı. Ancak farklı hücre tiplerindeki etkinin anlaşılması için daha fazla çalışmaya ihtiyaç duyuluyor. Mitokondriyal genom üzerindeki değişimlere odaklanan çalışmaların, mitokondriyal bozuklukları önlemek ve tedavi etmek için kullanılan yöntemleri tamamlayıcı bir niteliğe sahip olabileceği düşünülüyor.
Moraes ve diğerleri, mitokondriye girecek ve zararlı mutasyonların bulunduğu bölgelerde DNA’yı kesecek enzimler geliştiriyorlar. DNA’nın kesimi bir yönden önemlidir, çünkü mitokondri genellikle kesilen bölgeyi onarmak yerine DNA’yı bozar. Sonuçta mutasyona uğramış genoma sahip mitokondriler tükenir. Biliminsanları, söz konusu çalışmayı “inanılmaz bir adım” olarak yorumluyor.
Kaynak: https://www.nature.com/articles/d41586-020-02054-5
