Genomik Çağ ve Ötesi

İlk yazımı değerli hocam Prof. Nermin GÖZÜKIRMIZI’ya ithaf ediyorum. Bana kazandırdığı tüm bilgi ve tecrübe için şükranlarımı sunuyorum.

İnsanoğlu ben nerden geldim? Yaşam amacım nedir? gibi soruları kendisine her zaman sormuştur. Bu sorular, zamanla bilimsel gelişmeler ile paralel olarak kalıtım konusunda yoğunlaşmaya başlamıştır. “Annesine ya da babasına benziyor” cümlesi altında yatan etmen ne olabilir? Genetiğin tarihçesine bakılırsa Aristo, Galton, Weismann ve daha birçok araştırmacının bu etmenin ne olabileceği hakkında düşündüğü görülmektedir. Bu bakımdan spermistler, ovistler ve pangenezis düşüncelerinin savunucuları tartışmış ve sonunda germ plazma teorisinde karar kılınmıştır.

Louis Pasteur, “Şans ancak hazır olan akıllara güler” derken bilimsel keşiflerin şans eseri değil de ancak emek verilerek hatta rüyada dahi deneyini ya da çalışmasını düşünenler sayesinde bulunduğunu mu kastetmişti? Bu düşünce tamamen Gregor Johann Mendel’in durumunu açıklıyor. Bir papaz, birçok bitkide çalışma imkânı varken fenotipte gözlenebilir çok sayıda özelliğe sahip, kolay yetiştirilebilen, kısa zamanda döl veren ve kendi kendine tozlaşabilecek bir çiçek yapısına sahip olan bezelye bitkisini seçmiş ve bu bitkide yıllar süren araştırmalar yapmıştı. Bu durumu sadece şans diyerek açıklamak, her şeyden önce Mendel’e yapılan bir haksızlık olurdu. Elbette Mendel’den önce birçok kişi bu konuyu farklı canlılarda çalıştı ama içlerinde sadece Mendel, kalıtımın babası olarak isimlendirildi.

Mendel, kalıtım ile ilgili o zamana kadar yapılan analizlerin ve düşüncelerin değişmesini sağlamıştı ama hala eksik bir parça vardı. Nasıl bir molekül, bir karbonhidrat mı? Bir amino asit mi? Ya da bir yağ mı? Döllere özellikleri aktarıyordu. 1953 yılında Rosalin Franklin’in X-ışını kırınımı görüntüleriyle DNA’nın yapısını çözümlemesi, bu sorunun cevaplanmasını sağladı ve gizemin çözülmesindeki yapı taşını oluşturdu. Her ne kadar 1962’de Nobel Ödülü James Watson, Francis Crick ve Maurice Wilkins olmak üzere üç araştırıcıya verilmiş olsa da.

1970’lerde bakterilerde restriksiyon enzimlerinin belirlenmesi ile birlikte “Rekombinant DNA Çağı” başladı diyebiliriz. Bu enzimler, araştırıcılara genom içinden hedef DNA dizilerini kesme, saflaştırma ve tanımlama şansı verdi. Böylece rekombinant proteinler üretilmekte ve üretilen bu proteinler hastalık tedavisinde kullanılmaktadır. Ayrıca bu enzimler kullanılarak hedef DNA dizisi farklı bir canlının genomuna entegre edilmekte ve canlının istenilen özelliğe sahip olması sağlanmaktadır.

1989 yılında HGP’nin (Human Genom Project) başlanmasına karar verildi. O zamanki şartlarda var olan bilgi ve tecrübe ışığında restriksiyon enzimlerinin kullanıldığı bir moleküler markır olan RFLP (Restriction Fragment Length Polymorphism) metodu, projenin başlarında yaygın olarak kullanıldı. Bu yöntemi takiben türler arasındaki polimorfizm seviyelerinin belirlenmesi, abiyotik ve biyotik stresler altında genomda görülen farklılıkların araştırılması, hasta – sağlıklı bireyler arasında DNA dizilerindeki farklılığın belirlenmesi olmak üzere farklı amaçlarda kullanılmak üzere AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism), VNTR (Variable Number Tandem Repeat), IRAP (Inter-Retrotransposon Amplified Polymorphism), SNP (Single Nucleotide Polymorphism) gibi birçok farklı moleküler markır da geliştirildi ve hala geliştirilmektedir.

HGP ile birlikte eş zamanlı olarak model organizmalarda da dizileme çalışmaları gerçekleştirildi. Bu çalışmalar, o günkü şartlarda var olan dizileme cihazları ile çok uzun sürede gerçekleştiriliyor ve özellikle genomdaki tekrarlı bölgelerin dizilemesinde sorun yaşanıyordu. Bu sorunların çözümü için birçok farklı firma yeni cihazlar geliştirmeye başladı. Bu cihazlar da NGS (Next Generation Sequencing) Çağı’nı başlattı. HGP’nin yanı sıra aynı zamanda ENCODE (Encyclopedia of DNA Elements), modENCODE (Model Organism Encyclopedia of DNA Elements), HapMap (Haplotype Map), HEP (Human Epigenome Project), 1000 genom Projesi ve Kanser Genom Projesi gibi birçok proje de gelişen NGS cihazları kullanılarak yürütüldü ve bu projelerden elde edilen sonuçlar, genomun sırlarını çözmede yardımcı oldu. Bununla birlikte genomda hala işlevi tam olarak aydınlatılmayan birçok bölgenin bulunduğunu da söyleyebiliriz. Hayatımız süresince hiçbir zaman gen anlatımı yapmayan bölgeler, değişen çevre şartlarında aktif hale geçerek yaşam şansını artıracak olan ürünleri (protein ya da RNA molekülleri) üretebilir mi? Ütopik bir düşünce gibi görülse de bilim her zaman basit, kolay ve anlaşılır soruların cevabını bulmak için yapılan çalışmalar sayesinde ilerlemiştir.

NGS ile birlikte zamanla genomlar daha kısa sürede ve daha ucuza dizilenir hale geldi. Bu olumlu yönler, Omik Teknolojilerin ilerlemesini sağladı. Böylece, genomik uygulamaların yanı sıra transkriptomik, proteomik, metabolomik ve sistem biyoloji üzerinde birçok makale yayımlanmaktadır. Epigenetik ile ilgili çalışmaların da bu süreçte hız kazanmasıyla DNA’nın işlevi, farklı açıdan incelenmeye başlandı. Aslında epigenetik kavramı, Barbara McClintock’un mısır bitkisi üzerinde yaptığı deneyler sonucunda hareketli DNA elementlerini (transpozonları) tanımlamasıyla doğdu diyebiliriz. 1983 yılında Nobel Ödülü alan araştırmacı bugün yaşasaydı belki de 2. Nobel Ödülü’nü tekrar alabilirdi. Epigenetik, DNA dizisinde herhangi bir değişim olmadan gen anlatımında görülen değişikliklerdir. DNA dizisinde bir değişim olmadan bu durum fenotipe yansıyabilir mi? DNA stabil midir? Ya da dinamik midir?

Epigenetik kavramı ile birlikte RNA Dünyası’nın kapıları açıldı. Kendileri kodlama yapmamasına karşın kodlama yapan dizilerin (genlerin) anlatımlarının düzenlenmesinde önemli rol oynayan 20’den fazla RNA çeşidi olduğu belirlendi. Hastalık teşhisinde bu RNA çeşitleri biyosensör olarak kullanılmaktadır. Hastalığın yanı sıra tıbbi ve ekonomik önemi olan süs bitkilerinde de bitkiye koku ve renk veren genlerin anlatımlarını düzenleyen RNA’lar araştırılmakta ve bu bitkilerin peyzaj alanında ya da kozmetik ve parfüm gibi farklı sektörlerde kullanılabilirliği de çalışılmaktadır.

2014 yılına gelindiğinde Jennifer Doudna ve Emmanuelle Charpentier, Science dergisinde yayımladıkları makalede, gen ve genom düzenlenmesinde yeni metodu, CRISPR-Cas9, bilim dünyası ile paylaştılar. Daha sonra bu metot, hastalıkların tedavisinden istenilen özelliğe sahip canlıların elde edilmesine kadar geniş bir yelpazede yaygın olarak kullanılmaya başlandı. 2018 yılında etik olmamasına karşın Nana ve Lulu isimli iki bebekte bu teknik kullanılarak AIDS hastalığına neden olan virüsün insana bulaşmasını kolaylaştıran CCR5 geninde bir değişiklik yapıldığı açıklandı.

Günler, haftalar ve aylar içinde çalışmaların yapıldığı ve sonuçların da aynı şekilde uzun süreler boyunca analiz edildiği Sanger dizilemeden kişisel genomların saatler içinde dizilenebildiği NGS teknolojilerine, kalıtımda rol oynayan etmenin araştırıldığı zamanlardan RNA dünyasının kapılarının açılmasına, DNA stabildir değişmez görüşünden epigenetiğe, gelişen teknolojinin hızı takip edilemez hale gelmiştir. Peki, biz bu gelişen teknolojinin neresindeyiz?