Anne ve babanızın
size verdiği en önemli hediye
genomunuzu oluşturan
üç milyar harflik iki set DNA'dır.
Ama üç milyar parçalı her şey gibi
bu hediye de hassastır.
Güneş ışığı, sigara, sağlıksız beslenme,
hatta hücrelerinizin yaptığı
spontane hatalar bile,
genomunuzda değişikliğe sebep olur.
DNA'daki en yaygın değişim türü
tek bir harfin veya bazın takasıdır,
mesela C'nin farklı bir harfle,
mesela T, G veya A ile takası gibi.
Herhangi bir günde
vücudunuzdaki hücreler topluca
bu tek harfli takasları biriktirir,
buna "nokta mutasyonu" da denir.
Bu nokta mutasyonlarının çoğu zararsızdır.
Ama arada sırada,
bir nokta mutasyonu bir hücredeki
önemli bir yeteneği aksatır
veya bir hücrenin zararlı şekilde
yanlış davranmasına sebep olur.
Eğer bu mutasyon ailenizden miras kaldıysa
veya gelişiminizde yeterince
erken meydana geldiyse,
bunun sonucunda
hücrelerinizin birçoğu veya hepsi
bu zararlı mutasyonu içerir.
Yüzlerce milyon insanda bir görülen
genetik bir hastalığınız olur,
orak hücre anemisi, progeria,
kas distrofisi veya
Tay-Sachs hastalığı gibi.
Nokta mutasyonlardan kaynaklanan
ağır genetik hastalıklar
özellikle sinir bozucudur
çünkü genelde biliriz ki
hastalığa sebep olan
o tek harf değişimi
teoride onu tedavi edebilir.
Milyonlarca insanda orak hücre anemisi var
çünkü hemoglobin genlerinin
her iki kopyasında da
tek bir A'dan T'ye mutasyon var.
Progeria hastası çocuklar
genomlarında tek bir pozisyonda
normalde C olan yerde
bir T ile doğar,
bunun sonucunda da
bu muhteşem, parlak zekâlı çocuklar
çok hızlı yaşlanır ve yaklaşık
14 yaşında hayatını kaybeder.
Tıp tarihi boyunca,
yaşayan sistemlerde etkili bir şekilde
mutasyonları belirlemenin,
hastalığa sebep olan T'yi
tekrar C yapmanın bir yolu yoktu.
Belki de şu ana kadar.
Çünkü benim laboratuvarım
bunu geliştirmeyi başardı,
buna "baz düzenlemesi" diyoruz.
Baz düzenlemesini başarmamızın hikâyesi
aslında üç milyar yıl önce başlıyor.
Bakterileri enfeksiyon kaynağı olarak
düşünüyoruz
ama bakterilerin kendisi de
enfeksiyona yatkın,
özellikle de virüslerden kaynaklananlara.
Yaklaşık üç milyar yıl önce,
bakteriler viral enfeksiyona karşı
bir savunma mekanizması geliştirdi.
Bu savunma mekanizması
şimdi CRISPR olarak biliniyor.
Ve CRISPR'ın savaş başlığı
DNA'ya moleküler makas gibi davranan,
çiftli helisi iki parçaya ayırarak
onu kesen mor bir protein.
Eğer CRISPR bakteriyel
ve viral DNA'ları ayırt edemeseydi,
çok da kullanışlı
bir savunma mekanizması olmazdı.
Ama CRISPR'ın en büyüleyici özelliği
makasların sadece
spesifik bir DNA dizisini aramak,
bağlanmak ve kesmek üzere
programlanabiliyor olması.
Yani bir bakteri bir virüsle
ilk kez karşılaştığında,
o virüsün küçük bir parçasını saklayıp
CRISPR makaslarını
gelecekteki bir enfeksiyon sırasında
o viral DNA dizisini kesmeye
programlayabiliyor.
Bir virüsün DNA'sını kesmek
kesilen viral genin fonksiyonunu aksatır,
dolayısıyla da
virüsün yaşam süresini bozar.
Emmanuelle Charpentier, George Church,
Jennifer Doudna
ve Feng Zhang gibi önemli araştırmacılar
altı yıl önce CRISPR makaslarının
bizim seçtiğimiz DNA dizilerini
kesebildiğini gösterdiler,
genomumuzdaki diziler de buna dâhil,
bakterinin seçtiği
viral DNA dizileri yerine.
Ama sonuçlar aslında benzer.
Genomunuzdaki bir DNA dizisini
kesmek de genelde
rastgele DNA harf karışımlarının
kesilen yerde
ve silinmesine yol açarak
kesilen genin fonksiyonunu bozuyor.
Genleri bozmak bazı uygulamalar için
çok kullanışlı olabilir.
Ama genetik hastalık yaratan
çoğu nokta mutasyonu için,
zaten değişmiş geni
sadece kesmek hastaya fayda sağlamaz
çünkü değişmiş genin fonksiyonu
yeniden yüklenmeli,
daha fazla bozulmamalı.
Yani orak hücre anemisine sebep olan
bu zaten değişmiş hemoglobin genini kesmek
hastaların tekrar sağlıklı kırmızı
kan hücreleri yapmasını sağlamayacak.
Bazen kesilmiş bölgeyi saran
DNA dizilimlerinin yerine koymak için
hücrelerin içine
yeni DNA dizileri uygulayabilsek de
bu süreç, maalesef,
çoğu hücre türünde işe yaramaz
ve bozulmuş genin sonucu
baskın gelmeye devam eder.
Birçok bilim insanı gibi,
insanlarda genetik hastalıkları
tedavi edebileceğimiz hatta
belki de tamamen iyileştirebileceğimiz
bir gelecek hayal ettim.
Ama çoğu genetik hastalığa yol açan
sabit nokta mutasyonlarını
onarmanın bir yolu olmamasını
yolumuzda duran
büyük bir sorun olarak gördüm.
Bir kimyager olarak, öğrencilerimle
direkt olarak tek bir DNA bazına
kimya uygulamanın yollarını geliştirmek
için çalışmaya başladım,
genetik hastalığa sebep olan değişimleri
bozmak yerine gerçekten onarmak için.
Çabalarımızın sonucu "baz düzenleyici"
dediğimiz moleküler makineler.
CRISPR makaslarının programlanabilir
arama yöntemini kullanıyorlar
ama DNA'yı kesmek yerine,
genin geri kalanını bozmadan
direkt olarak bir bazı
başka bir baza dönüştürüyorlar.
Yani doğal oluşumlu CRISPR proteinlerini
moleküler makaslar olarak düşünürseniz
baz düzenleyicileri kalem olarak düşünün,
aslında bir DNA bazının atomlarını
yeniden düzenleyerek
başka bir baz olmasını sağlamak için
bir DNA harfini başka bir harf olarak
direkt yeniden yazabilen kalemler.
Baz düzenleyiciler doğada yok.
Hatta, ilk baz düzenleyiciyi,
burada görüyorsunuz,
aynı organizmadan bile gelmeyen
üç farklı proteinden oluşturduk.
CRISPR makaslarını alıp
DNA'yı kesme yeteneğini etkisiz kılarken
programlanmış bir şekilde hedeflenen
bir DNA dizisini bulup bağlama yetisini
sürdürerek başladık.
Mavi ile gösterilen
etkisiz hâle getirilmiş CRISPR makaslarına
ikinci bir kırmızı protein ekledik,
bu da C DNA bazında
kimyasal bir reaksiyon gösterip
onu T gibi davranan bir baza dönüştürdü.
Sonra, ilk iki proteine,
değişmiş bazın hücre tarafından
atılmasını engelleyen
morla gösterilen proteini
eklememiz gerekti.
Açık sonuç, ilk kez genomlarda
belirlenmiş konumlarda
C'leri T'lere çevirmemizi sağlayan
tasarlanmış üç parçalı bir protein.
Ama bu noktada bile
işimizin sadece yarısı bitmişti.
Çünkü hücrelerde sabit olmak için,
bir DNA çiftli helisin iki zinciri
baz çiftleri oluşturmalı.
Ve C sadece G ile,
T de sadece A ile çiftleştiğinden,
bir DNA zincirinde sadece bir C'yi
bir T'ye çevirmek uyumsuzluk,
iki DNA zinciri arasında
hücrenin hangi zinciri yenileyeceğine
karar vermesi gereken bir çatışma yaratır.
Zinciri çentikleyerek, değişmemiş zinciri
değişecek olan diye işaretlemek için
bu üç kısımlı proteini
düzenleyebileceğimizi fark ettik.
Bu küçük çentik, hücreyi kandırıp
çentiklenen zinciri yenilerken
değişmemiş bir G yerine bir A koyduruyor,
böylece eskiden bir C-G baz
eşlemesi olan şeyin sabit bir A-T'ye
dönüşümünü tamamlıyor.
Laboratuvarda, eski bir doktora
sonrası araştırmacısı olan
Alexis Komor'ın liderliğinde
birkaç yıllık sıkı çalışmadan sonra,
bizim seçtiğimiz pozisyonlarda
C'leri T'ye ve G'leri A'ya çeviren
bu birinci sınıf baz düzenleyiciyi
geliştirmeyi başardık.
Bilinen 35.000'den fazla hastalıkla
bağlantılı nokta mutasyonu arasında,
bu ilk baz düzenleyicinin
geri çevirebildiği iki tip mutasyon
birlikte patojenik nokta mutasyonlarının
yüzde 14'ünü veya 5000 tanesini oluşturur.
Ama hastalığa yol açan nokta
mutasyonlarının en büyük kesimini onarmak
A'ları G'lere ve T'leri C'lere çevirebilen
ikinci sınıf bir baz düzenleyiciyi
geliştirmeyi gerektirir.
Eski bir doktora sonrası araştırmacısı
olan Nicole Gaudelli'nin liderliğinde
bu ikinci sınıf baz düzenleyiciyi
geliştirmeye başladık,
bu, teoride patojenik nokta mutasyonlarını
yarısına kadar düzeltebilecekti,
hızlı yaşlanmaya sebep olan progeriaya
yol açan mutasyon da dâhil.
Bir kez daha CRISPR makaslarının
hedef mekanizmasını ödünç alabileceğimizi
ve yeni baz düzenleyiciyi genomdaki
doğru alana getirebileceğimizi fark ettik.
Ama hızla inanılmaz bir sorunla
karşılaştık;
yani, DNA'da A'yı G'ye
veya T'yi C'ye çevirebilen
bilinen bir protein yok.
Bu kadar ciddi bir sorunla karşılaşınca,
çoğu öğrenci muhtemelen
başka bir proje arardı
veya başka bir proje danışmanı.
(Kahkaha)
Ama Nicole, o zamanlar
fazlasıyla iddialı görünen bir planla
devam etmeyi uygun buldu.
Gerekli kimyayı uygulayacak
doğal oluşumlu proteinin eksikliği
göz önünde bulundurulursa
A'yı G gibi davranan
bir baza çevirmek için
laboratuvarda kendi proteinimizi
geliştirmeye karar verdik
ve RNA'ya ilişkili kimya uygulayan
bir proteinden başladık.
On milyonlarca protein değişkeni keşfeden
ve sadece hayatta kalmak için
gerekli olan kimyayı salgılayan
o nadir değişkenlere izin veren
güçlü olan hayatta kalsın tarzı
Darvinci bir seçilim sistemi yaptık.
Burada gösterilen protein ile sonuçlandı,
DNA'daki A'yı, G'ye benzeyen bir baza
dönüştürebilen ilk protein.
Bu proteini mavi ile gösterilen
etkisiz kalmış CRISPR makaslarına
ekleyince,
ikinci sınıf bir baz düzenleyici ürettik,
bu da A'ları G'lere dönüştürüyor,
sonra ilk baz düzenleyicide kullandığımız
zincir çentikleme stratejisini kullanıp
hücreye, çentiklenmiş zinciri yenilerken
değişmemiş T'yi de
bir C ile değiştirtiyor,
böylece bir A-T baz ikilisinin G-C baz
ikilisine dönüşümünü tamamlıyor.
(Alkış)
Teşekkürler.
(Alkış)
ABD'deki akademisyen
bir bilim insanı olarak,
lafımın alkışla bölünmesine
alışkın değilim.
(Kahkaha)
Bu ilk iki sınıf baz düzenleyicilerden
birini sadece üç,
birini de bir buçuk yıl önce geliştirdik.
Ama bu kısa zamanda bile,
baz düzenleme, biyomedikal araştırma
topluluğunda geniş çapta kullanıldı.
Dünya çapında baz düzenleyicileri
6000 defadan fazla istekleri üzerine
1000'den fazla araştırmacıya gönderildi.
Baz düzenleyiciler bakteriden bitkilere,
farelerden primatlara
tüm bu organizmalarda kullanılarak
yüz araştırma makalesi yayınlandı bile.
Baz düzenleyicileri,
insanlar üzerindeki klinik deneylere
girmek için henüz çok yeni olsa da
bilim insanları baz düzenleyicileri
insanlarda hastalığa neden olan
nokta mutasyonlarını düzeltmek için
hayvanlarda kullanarak
bu amaca giden yolda
ciddi bir dönüm noktasından geçti.
Örneğin,
laboratuvarımdaki iki diğer öğrenci
Luke Koblan ve Jon Levy'nin
başında olduğu bir bilim insanı grubu,
ikinci sınıf bir baz düzenleyiciyi
progeria hastası bir fareye vermek için
bir virüs kullandı,
hastalığa sebep olan T'yi
tekrar bir C'ye çevirdi
ve sonuçlarını DNA, RNA
ve protein seviyesinde tersine çevirdi.
Baz düzenleyiciler hayvanlarda
hastalık sonuçlarını tersine çevirmek
amacıyla da kullanıldı, mesela tirozinemi,
beta talasemi, kas distrofisi,
fenilketonüri, doğuştan sağırlık
ve bir tür kalp damar hastalığı --
her durumda, hastalığa sebep olan
veya katkı sağlayan
nokta mutasyonunu direkt düzelterek.
Bitkilerde, baz düzenleyicileri
daha iyi ürünlere yol açacak
tek DNA harfi değişimleri
üretmek için kullanıldı.
Biyologlar da baz düzenleyicileri,
kanser gibi hastalıklarla ilişkili
genlerde tek harflerin rolünü
incelemek için kullandılar.
Kurucu ortağı olduğum iki firma,
Beam Therapeutics ve Pairwise Plants,
baz düzenlemeyi, insanlardaki
genetik hastalıkları tedavi etmek
ve tarımı geliştirmek için kullanıyor.
Baz düzenlemenin tüm bu uygulamaları
son üç yıldan az bir sürede gerçekleşti:
bilimin tarihsel zaman ölçeğinde,
göz açıp kapayana kadar.
Yapmamız gereken biraz daha çalışma var,
baz düzenlemenin tam potansiyelini
gerçekleştirerek genetik hastalıkları
olan hastaların hayatlarını
daha iyi hâle getirebilmesi için.
Bu hastalıkların birçoğunun
temeldeki mutasyonu düzelterek
organdaki hücrelerin kesiti ile bile
tedavi edilebileceği düşünülse de
baz düzenleyiciler gibi
moleküler makineleri
insan hücrelerine sokmak
zorlayıcı olabilir.
Doğadaki virüslere,
nezleye sebep olacak moleküller yerine
baz düzenleyiciler verdirmek
başarıyla uygulanmış
birkaç umut verici stratejiden biri.
Bir baz çiftini başka bir baz çiftine
çevirebilmek için
geri kalan şeyleri yapabilecek
veya hedef dışı konumlardaki
istenmeyen düzenlemeyi küçültecek
yeni moleküler makineler
geliştirmeye devam etmek
çok önemli.
Diğer bilim insanları,
doktorlar, ahlak bilimciler ve devletlerle
ilişkiler kurup baz düzenlemenin
dikkatle, güvenli ve etiğe uygun
kullanılması olasılığını
arttırmak ciddi bir zorunluluk.
Bu zorluklara rağmen,
sadece beş yıl önce bana gelip
tüm dünyadaki araştırmacıların
laboratuvarda geliştirilmiş
moleküler makineleri kullanarak
insan genomunda belli bir konumdaki
bir baz çiftini etkin bir şekilde
ve diğer sonuçları
minimumda tutarak
direkt başka bir baz çiftine
dönüştüreceğini söyleseydiniz,
size şunu sorardım,
"Hangi bilim kurgu kitabını okuyorsun?"
Kendimiz tasarladığımız şeyi
yapabilecek kadar yaratıcı
ve yapamadığımız şeyi geliştirecek kadar
cesur olan kararlı öğrencilerle,
baz düzenleme
bilim kurguyu andıran istekleri,
bırakacağımız en önemli hediyenin
sadece üç milyar harf DNA değil
buna ek olarak onları koruma
ve onarma yolları olduğu
heyecanlı bir gerçekliğe dönüştürdük.
Teşekkürler.
(Alkış)
Teşekkürler.