Bilimin Sırrı: CRISPR Belgeseli 1. Bölüm

GİRİŞ

İlk olarak Aralık 2019'da, Çin Halk Cumhuriyeti'nin Hubei Eyaletinin yönetim merkezi olan Wuhan'da görülen Korona virüs hastalığı, virüslerin canlılar ile ilişkisini birkez daha gözler önüne sürdü. İnsanlık tarihî boyunca, insan ırkı pek çok mikrobiyal ve virüs kaynaklı salgınla mücadele etmiş, milyonlarca insanda bu hastalıklardan dolayı hayatını kaybetmiştir. İnsan dışındaki diğer canlılar arasındaki ilişkiye baktığımızda ise neredeyse yaşam tarihi ile aynı yaşta olan iki canlı arasındaki savaş dikkat çekmektedir;

BAKTERİLER ve VİRÜSLER...

Bir virüs çeşidi olan ve bakterileri enfekte edebilme yeteneğine sahip olan "BAKTERİOFAJ" isimli canlılar bakterilerin hücre duvarlarına tutunarak genetiksel materyallerini bakteriye enfekte ederler ve bakteriler çoğaldıkça, bakteriofajlarda çoğalırlar. Zamanla bakteriler daha fazla gelişemezler ve ölürler. Bakteriofajlar ise bir başka bakteriye bulaşarak onu enfekte ederler.

Bakteriofaj

Bakteri

Bakteriler, bakteriofaj saldırısına karşı kendilerini korumak için, bugün CRISPR adını verdiğimiz bir sistem geliştirerek, günümüze kadar yaşamlarını devam ettirmişlerdir.

CRISPR immünolojik biyosavunma mekanizması yani CRISPR bağışıklık sistemi ilk olarak 1987 yılında Yoshizumi Ishino ve arkadaşları tarafından yapılan bir deney ile keşfedilmiştir.

CRISPR'ın Keşfi ve Gelişimi

Bakterilerin, virüslerle girdikleri savaşta nesillerini devam ettirebilmeleri için geliştirdikleri CRISPR biyosavunma mekanizmasının tarihi, bakteri ve virüslerin evrimsel tarihlerinin başlangıcına ulaşsa da ilk olarak 1987 yılında, Ishino ve arkadaşları tarafından fark edilmiştir. 1987 yılında Escherichia coli bakterisinin K - 12 suşunda bulunan apatoz inhibitör proteinini kodlayan gen bölgesini haritalayan Ishino ve arkadaşları, bu genin kodlanacağı bölgede palindronomik olan tekrarlar ve bu tekrarların arasında, aralayıcı (spacer) bölgelerin var olduğunu keşfettiler. Ishino ve arkadaşları, 1987 yılında yayınladıkları makalede bu bölgeler hakkında bilgi vermişlerdir.

Genom haritalama çalışmalarının yoğunlaştığı 1990'lı yıllardan itibaren pek çok arkea, bakteri ve mitokondride de Ishino ve arkadaşlarının bulduğu yapının benzerlerinin var olduğu keşfedilmiştir. 2000 yılında Francisco Mojica ve arkadaşları yürüttükleri çalışmaların sonucunda düzenli aralıklarla tekrarlayan bölgeleri ve aralayıcı bölgeleri içeren 9 arkea, 11 bakteri ve bakla bitkisinin mitokondrisinde de var olduğunu yazmış oldukları makalede bilim dünyasına duyurmuşlardı.

2002 yılına gelindiğinde tekrar bölgelerinin tam manasıyla adlandırılmasından dolayı literatürde kargaşa oluşmaktaydı. Literatürde oluşan bu kargaşayı önlemek amacıyla 2002 yılında, tekrar bölgeleri üzerine yoğun olarak çalışan iki çalışma grubu; Francisco Mojica ve arkadaşları ile Ruud Jansen ve arkadaşları bir araya gelerek bu tekrar bölgelerinin sahip oldukları yapılarından dolayı "DÜZENLİ ARALIKLARLA KÜMELENMİŞ KISA PALİNDRONOMİK TEKRARLAR - CLUSTERED REGULARLY INTERSPACED PALİNDROMİC REPEATS" yani "CRISPR" adını verme kararı almışlardır.

2002 yılında CRISPR adlandırıldıktan sonra, CRISPR'ın işlevinin belirlenmesi amacıyla bilimsel çalışmalar yapılmıştır. 2005 yılına gelindiğinde üç farklı çalışma grubunun yapmış olduğu çalışmalar, CRISPR'ın işlevi hakkında kesin sonuçlar ortaya koymuştur. CRISPR artık kesin olarak; "Bakterilerin, bakteriofaj saldırılarına karşı geliştirdikleri bir biyosavunma mekanizması" olarak bilim literatürde yerini almıştır. 

Peki ama CRISPR sistemi bakterileri, bakteriofaj saldırılarından nasıl korur? Gelin bu sorunun cevabını bulmadan hemen önce CRISPR sisteminin yapısında bulunan bileşenleri daha yakından tanıyalım...

CRISPR Lokusunun Bileşenleri

Arkea, bakteri ve mitokondride bulunan CRISPR lokuslarında mevcut olan bileşenler bir birlerinden farklı olsalar da, bir CRISPR lokusu genel itibariyle 4 bölgeden meydana gelmektedir:

1. Cas Genleri,
2. Lider (Promotör) Dizi,
3. Palindronomik Tekrar Sekansları,
4. Aralayıcı (Spacer) Bölgeler.

Başlıca görevleri endonükleaz, ekzonükleaz, helikaz ve polimeraz enzimleri olan, nükleik asit bağlama bölgeleri taşıyan ve Cas proteinlerini kodlayan Cas genleri, CRISPR lokusunun çok yakınında bulunan gen bölgeleridir. Cas genleri tarafından kodlanan Cas proteinleri, CRISPR aracılı immünolojik biyosavunma sisteminin çok farklı kademelerinde rol oynayan protein ailesidir. CRISPR aracılı immünolojik biyosavunma sisteminde Cas proteinlerinin üstlendiği başlıca görevler şunlardır;

• CRISPR lokusuna, aralayıcı DNA'ların entegrasyonu,
• crRNA (CRISPR RNA)'ların transkripsiyonu ve işlenmesi,
• crRNA'ların hedef DNA'ya yönlendirilerek, istilacı DNA'yı ortadan kaldırmak.

Yapılan bilimsel çalışmalar sonucunda farklı prokaryotlardan elde edilen CRISPR lokuslarında 45'den fazla Cas proteini kodlayan Cas geni tespit edilmiştir. Tespit edilen bu Cas genlerinin içeriği ve organizmalarda meydana gelen değişikliklerden dolayı CRISPR/Cas sistemleri 3 (üç) ana tip ve 11 (on bir) alt tipte sınıflandırılmıştır. Bu ana ve alt tipler;

• Tip I (Tip I-A, Tip I-B, Tip I-C Tip I-D, Tip I-E, Tip I-F)
• Tip II (Tip II-A, Tip II-B, Tip II-C)
• Tip III (Tip III-A, Tip III-B)

Tip I ve Tip III CRISPR/Cas sistemleri yabancı DNA'yı kesmek için helikaz ve DNaz özelliği gösteren Cas3 proteinlerini ve crRNA moleküllerini bir arada kullanırlar.

Tip I CRISPR/Cas sistemleri; Cas3, Cas5, Cas7, kaskad ve RAMP süper ailesine sahip proteinleri ihtiva ederler.

Tip II CRISPR/Cas sistemleri, Tip I ve Tip III sistemlerine nazaran üzerinde daha çok çalışılan ve daha az bileşene ihtiyaç duyan Cas sistemidir. Yapılarında trans-aktive edici RNA (tracRNA) Cas9, crRNA ve RNazIII ribonükleazı mevcuttur. Çok büyük bir yapısı bulunan Cas9 proteini, en az iki nükleaz alanı içermektedir. Bu yüzden dolayı Cas9 proteini Cas 1 ve Cas2 gibi crRNA'ları oluşturabilir ve kesebilir.

Tip III CRISPR/Cas sistemleri, Tip I'den farklı olarak oluşan crRNA'ların 3' ucuna ek olarak nükleolitik saldırı düzenleyerek, uzunluğu azaltılmış olgun crRNA'ların oluşmasını sağlamaktadır.

CRISPR Hakkında Daha Detaylı Okuma Yapmak için Aşağıdaki Kaynaklardan da Yararlanabilirsiniz:

• Çetintaş, V., Kaymaz, B. T., Kotmakçı, M., 2017. Bağışıklık Yanıtından Genom Tasarımına; CRISPR-Cas 9 Sistemi. Türkiye Klinikleri Journal of Medical Sciences, 37(1): 27-42.
• Gök, Z. G., Tunalı, B. Ç., 2016. CRISPR-Cas İmmün Sisteminin Biyolojisi, Mekanizması ve Kullanım Alanları. Uluslararası Mühendislik Araştırma ve Geliştirme Dergisi, 8(2): 11-23.
• Gümüş, N., Kaymaz, B. T., 2018. Genom Düzenlemede CRISPR/CAS 9 Çağı ve Lösemideki Uygulamaları. Kafkas J. Med. Sci., 8(3): 233-248.
• Ishino, Y., Shinagawa, H., Makino, K., Amemura, M., Nakata, A., 1987. Nucleotide Sequence of the IAP Gene, Responsible, for Alkaline Phosphatase Isozyme Conversion in Escherichia coli, and Identification of the Gene Product. Journal of Bacterology, 169(12): 5429-5433.
• Mojica, F. J. M., Diez-Villasenor, C., Soria, E., Juez, G., 2000. Biological Significance of a Family of Regularly Spaced Repeats in the Genomes of Archea, Bacteria and Mitochondria. Molecular Microbiology, 36(1): 244-246.