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.