Biyolojide Yeni Çağ: Genler İçin ‘Kelime İşlemci’ Teknolojisi
Arc Enstitüsü bilim insanları, tamamen programlanabilir DNA yeniden düzenlemelerini mümkün kılan devrim niteliğinde bir araç olan köprü rekombinaz mekanizmasını keşfetti.
Yakın tarihli bir Nature yayınında ayrıntılı olarak açıklanan bulguları, hedef ve donör DNA moleküllerinin diziye özgü seçimi için kodlama yapmayan bir RNA kullanan ilk DNA rekombinazdır. Bu köprü RNA programlanabilir olup, kullanıcının istenen herhangi bir genomik hedef dizisini ve eklenecek herhangi bir donör DNA molekülünü belirlemesine olanak tanır.
Araştırma, Arc Enstitüsü Çekirdek Araştırmacısı ve Stanford Üniversitesi Biyokimya Yardımcı Doçenti Silvana Konermann ve Tokyo Üniversitesi Yapısal Biyoloji Profesörü Hiroshi Nishimasu’nun laboratuvarları ile işbirliği içinde geliştirildi.
Donör ve hedef bağlanma döngülerini vurgulayan köprü rekombinaz mekanizmasının görselleştirilmesi. Kredi: Görsel Bilim
Genetik Programlamada Yeni Bir Dönem
Çalışmanın kıdemli yazarı ve Arc Enstitüsü Çekirdek Araştırmacısı ve California Üniversitesi, Berkeley Biyomühendislik Yardımcı Doçenti Dr. Patrick Hsu, “Köprü RNA sistemi, biyolojik programlama için temelde yeni bir mekanizmadır” dedi. “Köprü rekombinasyonu, diziye özgü ekleme, eksizyon, inversiyon ve daha fazlası yoluyla genetik materyali evrensel olarak değiştirebilir ve CRISPR’ın ötesinde canlı genom için bir kelime işlemci sağlar.”
Köprü rekombinasyon sistemi, mikrobiyal genomlar içinde ve arasında hareket etmek için kendilerini kesip yapıştıran sayısız türde aktarılabilir elementten – veya “atlayan genlerden” – biri olan ekleme dizisi 110 (IS110) elementlerinden kaynaklanmaktadır. Aktarılabilir elementler tüm yaşam formlarında bulunur ve hayatta kalmak için profesyonel DNA manipülasyon makinelerine dönüşmüşlerdir. IS110 elementleri çok minimaldir, sadece rekombinaz enzimini kodlayan bir gen ve şimdiye kadar gizemini koruyan DNA segmentlerinden oluşur.
Transpozon DNA’sını ve Genomik Hedef bölgesini vurgulayan köprü rekombinaz mekanizmasının görselleştirilmesi.
Kredi: Görsel Bilim
Köprü RNA’nın Gelişmiş Mekanizması
Hsu laboratuvarı, IS110 kendisini bir genomdan çıkardığında, kodlamayan DNA uçlarının bir RNA molekülü – köprü RNA – üretmek için bir araya getirildiğini ve bunun iki döngü halinde katlandığını buldu. Bir ilmek IS110 elementinin kendisine bağlanırken, diğer ilmek elementin yerleştirileceği hedef DNA’ya bağlanır. Köprü RNA, baz eşleştirme etkileşimleri yoluyla hem hedef hem de donör DNA’nın dizisini belirleyen bispesifik bir kılavuz molekülün ilk örneğidir.
Köprü RNA’nın her bir döngüsü bağımsız olarak programlanabilir ve araştırmacıların ilgilendikleri hedef ve donör DNA dizilerini karıştırıp eşleştirmelerine olanak tanır. Bu, sistemin IS110 elementinin kendisini yerleştiren doğal rolünün çok ötesine geçebileceği, bunun yerine hatalı, hastalığa neden olan bir genin işlevsel bir kopyası gibi arzu edilen herhangi bir genetik kargonun herhangi bir genomik konuma yerleştirilmesini sağlayabileceği anlamına gelir. Bu çalışmada ekip, doğru genomik konum için %94’ün üzerinde özgüllükle E. coli’de istenen bir genin %60’ın üzerinde ekleme verimliliği göstermiştir.
UC Berkeley biyomühendislik yüksek lisans öğrencisi olan eş lider yazar Nick Perry, “Bu programlanabilir köprü RNA’lar, IS110’u bir RNA bileşeninden yoksun olan ve programlanamayan diğer bilinen rekombinazlardan ayırıyor” dedi. “Sanki köprü RNA, IS110’u herhangi bir prizle uyumlu hale getiren evrensel bir güç adaptörüymüş gibi.”
Patrick Hsu, Nick Perry ve Matt Durrant yeni keşfedilen köprü rekombinaz mekanizmasını tartışıyor. Kredi: Ray Rudolph
Ortak Araştırma ve Gelecekteki Çıkarımlar
Hsu laboratuvarının keşfi, 26 Haziran’da Nature’da yayınlanan Tokyo Üniversitesi’nden Dr. Hiroshi Nishimasu’nun laboratuvarı ile yaptıkları işbirliği ile tamamlandı. Nishimasu laboratuvarı, hedef ve donör DNA’ya bağlı rekombinaz köprüsü RNA kompleksinin moleküler yapılarını belirlemek için kriyo-elektron mikroskobu kullandı ve rekombinasyon sürecinin temel adımları boyunca sırayla ilerledi.
Daha fazla keşif ve geliştirme ile köprü mekanizması, programlanabilir DNA yeniden düzenlemeleri için birleşik bir mekanizma sunmak üzere CRISPR ve RNA interferansının (RNAi) DNA ve RNA kesme mekanizmalarının ötesine geçerek üçüncü nesil RNA güdümlü sistemleri başlatmayı vaat ediyor. Memeli genom tasarımına yönelik köprü rekombinasyon sisteminin daha da geliştirilmesi için kritik öneme sahip olan köprü rekombinaz, kesilmiş DNA parçalarını serbest bırakmadan her iki DNA ipliğini birleştirerek mevcut son teknoloji genom düzenleme teknolojilerinin önemli bir sınırlamasını ortadan kaldırıyor.
Arc’ta kıdemli bir bilim insanı olan araştırma eş lideri Matthew Durrant, “Köprü rekombinasyon mekanizması, diğer genom düzenleme yöntemlerinin karşılaştığı en temel zorluklardan bazılarını çözüyor” dedi. “Herhangi iki DNA molekülünü programlanabilir şekilde yeniden düzenleyebilme yeteneği, genom tasarımında çığır açacak gelişmelere kapı açıyor.”
Kaynak: https://scitechdaily.com
Derleyen: Figen Berber