Genom düzenleme, bir organizmanın DNA'sında belirli değişiklikler yapmak için kullanılan bir yöntemdir. Bir enzim DNA'yı belirli bir dizilimden keser ve orası hücre tarafından onarılırken, dizilim üzerinde değişiklik ya da "düzenleme" yapılır.

Genom Düzenleme Nedir?

* Genom düzenleme, hücre içindeki DNA'nın hatasız ve verimli şekilde modifiye edilmesi için kullanılan bir tekniktir.

* Bunu yapmak için, 'tasarlanmış nükleazlar' adı verilen enzimler ile belirli DNA dizilimlerinden kesimler yapılır.

* Genom düzenleme, genomdaki DNA'lara ekleme, çıkarma ve değiştirme yapmak için kullanılabilir.

* Genom düzenlenerek, bir hücrenin ya da organizmanın karakteristik özellikleri değiştirilebilir.

Genom Düzenleme Ne İçin Kullanılır?

* Genom düzenleme, herhangi bir organizmanın genomunu düzenlemek için kullanılabilir.

* 14 günden fazla gelişmesine izin verilecek insan embriyoları üzerinde genom düzenlenmesi yasa dışıdır.

* Genom düzenleme şu amaçlarla kullanılıyor:

** Araştırma için: Genom düzenleme, hücrelerin veya organizmaların biyolojisini ve nasıl çalıştıklarını anlamak için kullanılabilir.

** Hastalık tedavisi için: Genom düzenleme, lösemi ve AIDS de dahil çeşitli hastalıkların tedavisinde, insan kan hücrelerinin modifiye edildikten sonra vücuda geri yerleştirilmesi amacıyla kullanılabilir. Bu yöntemle başka enfeksiyonların (MRSA gibi) ve genetik bozuklukların da (kas distrofisi ve hemofili gibi) tedavi potansiyeli bulunuyor.

** Biyoteknoloji için: Genom düzenleme, tarımda ürün verimliliğini arttırmak, hastalıklara ve kuraklığa daha dayanıklı olmalarını sağlamak için ekinlere uygulanıyor. Ayrıca büyübaş hayvanların boynuzsuz olmaları için de bu teknik kullanılıyor.

Epistem ekibinin konuyla ilgili aşağıdaki söyleşisini de izlemenizi öneririz:

Genom Düzenleme Nasıl İşler?

* Genom düzenlemede, genomu belirli yerlerden kesen 'tasarlanmış nükleaz' adında bir enzim türü kullanılır.

* Tasarlanmış nükleazlar iki bölümden oluşur:

** DNA'yı kesen bir nükleaz bölümü.

** Nükleaza belirli bir DNA dizilimi için rehberlik eden bir DNA hedefleme bölümü.

* DNA'yı belirli bir yerden kestikten sonra hücre doğal biçimde kesiği onarır.

* Biz bu onarım sürecini manipüle ederek, genomda bu konumdaki DNA üzerinde değişiklikler (ya da düzenlemeler) yapabiliriz.

Genom Düzenleme Türleri

Küçük DNA değişiklikleri

* Bir nükleaz enzimi, belirli bir yerden DNA'yı kesecek şekilde tasarlanır.

* Tasarlanmış nükleaz ile DNA kesildikten sonra, hücrenin normal DNA onarım mekanizması hasarı fark eder ve DNA'nın kesildiği yerdeki iki ucu yeniden birleştirir.

* Bu basit onarım süreci %100 kusursuz değildir ve çoğu zaman birkaç baz yitirilir ya da fazladan eklenir.

* DNA'daki böyle küçük değişiklikler (mutasyonlar), DNA'nın o bölümünün işlevini etkiler. Yani bir genin işleyişi bozulabilir veya tümden durabilir.

DNA'nın bir bölümünün çıkarılması

* DNA'nın bir bölümünün çıkarılması için çıkarılmak istenen kısmın iki yanından kesme yapacak nükleazlar tasarlanır.

* Tasarlanan nükleazlar DNA kesim işlemlerini tamamladıktan sonra, hücrenin normal DNA onarım mekanizması hasarı fark eder; fakat çıkarılmak istenen parçanın iki ucundan (o parçayı dışarıda bırakarak) DNA'yı birleştirecek şekilde kandırılabilir.



Bir DNA bölümünün yerleştirilmesi

* Doğal DNA onarım sistemi, genom düzenleme ile genoma bir DNA bölümü yerleştirmek için de kandırılabilir.

** Normalde bir hücre bölünmeden önce, içerdiği tüm DNA kopyalanır ve böylece oluşan iki yavru hücre, eksiksiz birer kopya genom alabilir.

** Eğer DNA kopyalarından birinde bir kopma olursa, hücre diğer kopyayı şablon olarak kullanarak onarım yapar. Bu işlem, her iki DNA kopyasının da yine eşleşmesini sağlar ve 'homoloji bağımlı onarım' olarak adlandırılır.

* Genom düzenleme sayesinde bu DNA onarım sisteminden yararlanarak, hücreyi DNA'sına dışarıdan ekleme yapmaya kandırmak mümkündür.

** Bir nükleaz enzimi, DNA'yı belli bir yerden kesecek biçimde tasarlanır.

** DNA kesildikten sonra, kesimin yapıldığı alandaki dizilime benzer bir modifiye edilmiş DNA parçası getirilir.

** Hücre, modifiye edilmiş DNA parçasını, kesik onarımında şablon olarak kullanır ve oluşan boşluğu bu modifiye DNA'nın bir kopyası ile doldurur.

* Bu yaklaşım kullanılarak yeni bir DNA bölümü ekleme veya varolan bir bölümün değiştirilme işlemi gerçekleştirilebilir. Örneğin bir gendeki noktasal bir mutasyon düzeltilebilir.

 Genom Düzenleme Sistemleri

* Genom düzenlemede kullanılan birkaç farklı tür tasarlanmış nükleaz bulunuyor.

* Bunların hepsi de bir nükleaz bölümü (DNA'yı kesmek için) ve bir DNA hedefleme bölümü (kesilecek DNA dizilimini tanımak için) içeriyor.

* Aralarındaki temel fark, kesilecek DNA'yı tanıma şekillerinde yatıyor:

** RNA-temelli: Kesilecek hedef DNA'ya bağlanan kısa bir RNA dizilimi içerir.

** Protein-temelli: Kesilecek hedef DNA'yı tanıyıp bağlanan bir protein içerir.

CRISPR-Cas9

* CRISPR-Cas9 en yaygın kullanılan, ucuz ve verimli bir genom düzenleme sistemidir.

* CRISPR kısaltmasının açılımı 'kümelenmiş düzenli aralıklı kısa palindromik yinelemeler'dir (İng. clustered regularly interspaced short palindromic repeats).

* CRISPR, sistemin DNA hedefleme parçasıdır ve bütünleyici baz çiftlenmesi yoluyla belirli DNA bazlarına bağlanmak için tasarlanmış bir RNA molekülünden, yani rehberden oluşur.

* Cas9 ise CRISPR-ilişkili protein 9 anlamındadır ve DNA'yı kesen nükleaz parçadır.

* CRISPR-Cas9 sistemi ilk olarak bakterilerde keşfedilmiştir; bakteriler işgalci virüslere karşı bu sistemi kullanır.



ZFN'ler

* ZFN'nin açılımı 'çinko parmak nükleaz'dır (İng. zinc-finger nuclease).

* ZFN'lerin DNA-bağlanma parçası çinko parmaklı proteinlerden oluşur; bunların herbiri üç DNA bazına bağlanır. Çinko parmaklı proteinlerin farklı birleşimleri, farklı DNA dizilimlerine bağlanır ancak sınama yapmadan bunu öngörmek güçtür.

* ZFN'lerin DNA'yı kesen nükleaz parçası normalde bir FokI nükleazıdır.

* İki FokI molekülü biraraya gelerek DNA'da bir kesik yapar; böylece bir çift ZFN yapılır ve her biri bir ipliğe bağlanır.



TALEN'ler

* TALEN kısaltmasının açılımı 'yazım etkinleştirici benzeri etkileyici nükleaz' şeklindedir (İng. Transcription activator-like effector nucleases).

* TALEN'lerin DNA-bağlanma alanı, yazım etkinleştirici benzeri etkileyici (TALE) alanlardan oluşur.

* Dört farklı TALE alanı vardır; her biri bir DNA bazına karşılık gelir. Dolayısıyla belirli DNA dizilimlerine bağlanmak için mühendisliklerinin yapılması, ZFN'lerden çok daha kolaydır.

* ZFN'ler gibi, TALEN'lerin de nükleaz parçası normalde bir FokI nükleazıdır.

* İki FokI molekülü bir araya gelerek DNA'da bir kesik yapar ve böylece her biri bir iplik için olan iki TALEN yapılır.