Üreme süreci, birçok canlı türü için adeta dişi ve erkek arasında bir rekabet alanıdır. Erkekler mümkün olduğunca çok sayıda yavru isterken ve dişilerin kaynaklarını onlara ayırmasını arzu ederken, dişiler seçeneklerini açık tutmayı ve kaynakları ömürleri boyunca üretebilecekleri yavru sayısını en üst düzeye çıkaracak şekilde dağıtmayı hedefler.
Memelilerde bu durum, DNA'nın kimyasal olarak değiştirilmesi, yani 'kalıtsal damgalanma' (imprinting) adı verilen bir süreçle işler. Erkekler, DNA'larına metil grupları ekleyerek damgalama yaparlar; bu, embriyonun büyümesini teşvik edecek genlerin aktivitesini değiştirir. Dişiler de benzer kimyasal düzenlemeler yaparlar ancak embriyonik büyümeyi teşvik eden genleri susturmaya odaklanırlar. Genomun bazı kilit bölgelerinde, sadece tek bir cinse özgü değişikliklere sahip olmak ölümcüldür, çünkü embriyo gelişim aşamasına uygun büyüyemez.
Bunun bir sonucu olarak, normalde sadece yumurta veya sadece sperm DNA'sı kullanarak embriyo üretmek mümkün değildir. Ancak son birkaç yıldır bilim insanları, kalıtsal damgalanmış bölgelerin her ebeveynden birer kopya alma ihtiyacını aşmak için yöntemler geliştirdiler. Şimdi ise oldukça sofistike bir gösterimle, hedefe yönelik metilasyon düzenlemesi yaparak iki sperm DNA'sından fareler ürettiler.
Kalıtsal Damgalanma ve Aynı Cinsiyetten Ebeveynler
Farelerde kalıtsal damgalanmanın incelenmesi uzun bir geçmişe sahiptir. Genom dizilenmeden çok önce bile, kromozomların belirli kısımlarının, silindiğinde ölümcül olduğunu - ancak yalnızca iki cinsten birinden miras alındığında - tespit etmişlerdi. Bunun, bölgedeki genlerin normalde eşey hücrelerinde inaktif olduğu anlamına geldiğini doğru bir şekilde çıkardılar. Eğer diğer cinsiyette silinirlerse, yavruda ortaya çıkan kombinasyon - bir kromozomda eksik, diğerinde inaktif - ölümcül olur.
Zamanla, genom boyunca dağılmış yedi kritik kalıtsal damgalanmış bölge belirlendi. Yaklaşık 20 yıl önce bir ekip, bir dişi farenin iki döllenmemiş yumurtadan kromozom setleri alarak yavru doğurmasını sağlayacak doğru silme işlemini bulmayı başardı. Ancak fare örneği, bir fareye implant edilmeden önce kültürdeki yumurta hücrelerinin manipülasyonuyla büyük destek aldı.
2016 yılına gelindiğinde, araştırmacılar sadece tek bir kromozom setine sahip kök hücre hatlarını birleştirerek embriyo oluşturulmasını sağlamak için özellikle kalıtsal damgalanmış genlerde silme işlemleri yapıyordu. Bu, orijinal deneyden çok daha odaklıydı, çünkü silmeler daha küçüktü ve sadece birkaç geni etkiliyordu. 2018'de, iki sperm genomunu, kendi genomu çıkarılmış bir döllenmemiş yumurtada bir araya getirme yöntemini bularak repertuvarlarını genişlettiler.
Ancak, iki erkek ebeveynden gelen yavrular doğumdan bir gün sonra öldü. Bu durum, kalıtsal damgalanmanın yetersiz telafi edilmesinden veya sadece silmelerin embriyonun sağlığı üzerinde ek etkileri olmasından kaynaklanıyordu. Bu yılın başlarına kadar, 20 farklı gen düzenlemesi ve silmesinin çok spesifik bir kombinasyonu, iki sperm hücresinden gelen kromozomlar kullanılarak üretilen farelerin yetişkinliğe kadar hayatta kalmasını sağladı.
Tüm bu çabaların sorunu, silmelerin hayvanların sağlığı üzerinde olumsuz etkileri olabilmesi ve karşı cinsten miras alındığında hala sorunlara yol açabilmesidir. Bu nedenle, üremedeki kalıtsal damgalanma rolüne ilişkin anlayışımızı doğrulamak için ilginç bir yol olsa da, bunu güvenilir bir üreme aracı olarak kullanmanın yolu bu değildir. Bu da bizi nihayet mevcut araştırmaya getiriyor.
Kendi Kalıtsal Damgalanmanızı Yaratın
Yukarıda eksik kalan nokta, kalıtsal damgalanmanın doğasıdır: Bir kromozom parçası ve üzerindeki tüm genler nasıl erkek veya dişiden geldiği şeklinde işaretlenir? Sır, DNA'nın o bölgesini baz eşleşmesini değiştirmeyen, ancak proteinler tarafından farklı olarak tanınmasını sağlayan kimyasal bir şekilde değiştirmektir. Bunu yapmanın en yaygın yolu, tek bir karbon atomunu (metil grubu) sitozin bazına bağlamaktır. Bu, yakındaki genleri susturma eğilimindedir ve hücre bölünmesi yoluyla miras alınabilir, çünkü DNA ipliklerinden birinin değiştirilmediğini tanıyıp ona bir metil ekleyen enzimler vardır.
Metilasyonun, kalıtsal damgalanmayı açıkladığı ortaya çıkmıştır. Kalıtsal damgalanma için kilit bölgeler erkek ve dişilerde farklı şekilde metillenir, bu da yakındaki gen aktivitesini etkiler ve embriyonik gelişimin tamamı boyunca sürdürülebilir.
Dolayısıyla, her iki kromozom setinin aynı cinsten gelmesi durumunda ortaya çıkan kalıtsal damgalanma sorunlarını telafi etmek için yapmanız gereken şey, metilasyonu hedefe yönelik olarak yeniden programlamaktır. İşte yeni makalenin arkasındaki bilim insanlarının yaptığı da tam olarak budur.
İlk olarak, iki kromozom setini birbirinden ayırmaları gerekiyordu. Bunu yapmak için, biri Avrupa kökenli standart laboratuvar fare soyu, diğeri ise yaklaşık yüz yıl önce Tayland'da vahşi doğadan yakalanan, uzak akraba olan iki farklı fare soyu kullandılar. Bu iki soy, genom boyunca dağılmış birçok küçük DNA dizisi farklılığına sahip olacak kadar uzun süre ayrı kalmışlardır. Bu sayede, bu farklılıkları kullanarak genomlardan birini veya diğerini hedeflemek mümkün olmuştur.
Bu, geliştirilmiş DNA düzenleme sistemlerinin parçaları kullanılarak yapılmıştır; bunların en ünlüsü CRISPR/CAS'tır. Bu sistemlerde, DNA'daki eşleşen bir diziyi bulmak için bir RNA dizisiyle eşleşen bir protein bulunur. Bu durumda, bu RNA'lar yalnızca iki fare soyundan birindeki kalıtsal damgalanma bölgelerini hedefleyecek şekilde yapılabilirdi. Protein/RNA kombinasyonları ayrıca DNA'yı değiştiren, yani metil ekleyen veya çıkaran enzimlere de bağlanabilirdi.
Tüm bunları bir araya getirmek için, araştırmacılar bir yumurta ile başladılar ve ondan genomu çıkardılar. Daha sonra, bir laboratuvar soyundan, bir de yakın zamanda vahşi fareden olmak üzere iki sperm başını yumurtanın içine enjekte ettiler. Bu, onlara iki kromozom setine sahip bir yumurta bıraktı, ancak bunların dörtte biri iki Y kromozomuna sahip olacak ve dolayısıyla yaşayamayacaktı (Y'den farklı olarak X'in temel genleri vardır). Keyfi olarak, kromozom setlerinden birini dişi olarak seçtiler ve üzerindeki metilasyon paternini yeniden programlamak için hedefe yönelik metilasyon ekleyen ve çıkaran enzimleri kullandılar. Bu yapıldıktan sonra, yumurtanın bölünmeye başlamasına ve dişi farelere implant edilmesine izin verdiler.
Nadir Başarı
Araştırmacılar, kullandıkları enzimlerin metilasyonu beklendiği gibi değiştirdiğinden ve gelişimin normal başladığından emin olmak için zaman harcadılar. Genel bulguları, enzimlerin hedeflenen bölgenin her iki tarafında yaklaşık 500 baz boyunca metilasyon durumunu değiştirdiği ve bunu oldukça tutarlı bir şekilde yaptığıdır. Ancak, her biri birden çok yakındaki geni kontrol eden yedi farklı kalıtsal damgalanma bölgesi vardır. Bu nedenle, değişiklikler tutarlı olsa da, yakındaki tüm genlerde beklenen değişiklikleri sağlamak için her zaman yeterince kapsamlı değildi.
Bu sınırlı verimlilik, hayatta kalma oranında kendini gösterdi. İki erkekten DNA taşıyan 250'den fazla yeniden programlanmış embriyo ile başladıklarında, on altı gebelik elde ettiler, ancak doğumda ölen sadece dört ve hayatta kalan üç yavru oldu; diğer deneylere dayanarak, geri kalanların çoğu embriyonik gelişimin ikinci yarısında öldü. Hayatta kalan üç yavrudan biri, tipik bir yavrudan neredeyse yüzde 40 daha büyüktü, bu da büyüme düzenlemesinde sorunlar olduğunu düşündürüyor - doğumdan bir gün sonra öldü.
Hayatta kalan üç yavrunun hepsi erkekti, ancak sayılar o kadar küçük ki bunun önemli olup olmadığını söylemek imkansız.
Araştırmacılar, düşük verimliliğin birkaç potansiyel nedenini öne sürüyorlar. Bunlardan biri basitçe, sitelerden en az birini doğru şekilde yeniden programlama olasılığının yüksek olmasına rağmen, yedisini de yeniden programlamanın oldukça zorlayıcı olmasıdır. Ayrıca, hedeflenen dizilere benzer konumlarda değişikliklerin meydana geldiği, hedef dışı etkilerin riski de vardır. Ayrıca, henüz tanımlayamadığımız başka kilit kalıtsal damgalanmış bölgeler olabileceğini de kabul ediyorlar.
Bu yaklaşımı bir araç olarak kullanmak istersek, bu sorunların çözülmesi gerekecektir; bu, dişi canlılığını veya doğurganlığını etkileyen mutasyonlar taşıyan fareleri üretmek için potansiyel olarak yararlı bir yol olabilir. Ancak bu çalışma, verimsiz haliyle bile şimdiden faydalı olmuştur, çünkü embriyonik gelişimde kalıtsal damgalanmanın işlevi ve bu süreçte metilasyonun kritik rolü hakkındaki fikirlerimizin oldukça kesin bir doğrulaması işlevi görüyor. Eğer bunların ikisi hakkında da büyük ölçüde haklı olmasaydık, bu yaklaşımın verimliliği düşük olmazdı - sıfır olurdu.
