DNA'yı yeniden yazarak genetik hastalıkları tedavi edebilir miyiz?

Bir bilimsel keşif hikâyesiyle, kimyager biyolog David R. Liu büyük bir buluş paylaşıyor: laboratuvarının DNA'yı yeniden yazabilen baz düzenleyicileri. Genom düzenlemedeki bu kritik adım, CRISPR vaadini sonraki seviyeye taşıyor: Eğer CRISPR proteinleri, spesifik DNA dizilerini kesmek için programlanmış moleküler makaslar ise, baz düzenleyiciler de bir DNA harfini direkt başka bir harf olarak yazabilen kalemler. Bu moleküler makinelerin nasıl çalıştığı ve genetik hastalıkları tedavi etme, hatta iyileştirme potansiyelleri hakkında daha fazla şey öğrenin.

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.