MODERN BİYOTEKNOLOJİDE CRISPR/CAS SİSTEMLERİ VE UYGULAMA ALANLARI
Özet
İnsanlık tarihi boyunca yaşam koşullarının iyileştirilmesine yönelik çabalar, doğadaki biyolojik süreçlerin anlaşılması ve bu bilgilerin çeşitli amaçlarla kullanılmasıyla şekillenmiştir. Bitki ve hayvanların evcilleştirilmesinden modern biyoteknoloji uygulamalarına kadar uzanan bu süreçte, biyolojik bilimlerdeki gelişmeler, insanların çevreleriyle, diğer canlı organizmalarla ve kendi biyolojik yapılarıyla olan etkileşimlerini yönlendirme kapasitesini önemli ölçüde artırmıştır. Günümüzde moleküler biyoloji alanındaki ilerlemeler; tıp, tarım, endüstriyel biyoteknoloji ve çevre bilimleri gibi çok sayıda disiplin için güçlü teknolojik yaklaşımlar sunmaktadır (Doudna & Charpentier, 2014).
Bu yaklaşımlar içerisinde genom düzenleme, bir organizmanın belirli genetik özelliklerini değiştirmek amacıyla genomdaki hedef DNA dizilerine yönelik moleküler müdahalelerin gerçekleştirilmesini sağlayan önemli bir teknoloji olarak öne çıkmaktadır. Genom düzenleme uygulamaları, DNA dizilerininin düzenlenmesinin yanı sıra RNA düzeyindeki süreçlerin hedeflenmesine yönelik yaklaşımlar da geliştirilmiştir. Bu teknolojiler; hayvanlar ve bitkiler gibi çok hücreli organizmalardan kültür hücrelerine ve bakterilere kadar geniş bir biyolojik sistem yelpazesinde uygulanabilmektedir (Anzalone et al., 2020; Doudna & Charpentier, 2014).
Hedeflenen genetik değişiklikler sonucunda bitkilerde morfolojik özelliklerden, hayvanlarda hastalıklarla ilişkili çeşitli özelliklere kadar farklı fenotipik özelliklerin değiştirilmesi mümkün olabilmektedir. Bununla birlikte, bir özelliğin genom düzenleme yoluyla değiştirilebilme düzeyi; hedeflenen özelliğin genetik yapısına, düzenlenen genin işlevine ve kullanılan biyolojik sisteme bağlı olarak önemli ölçüde farklılık gösterebilmektedir.
Hızlı nüfus artışı, iklim değişikliği, doğal kaynaklar üzerindeki baskının artması ve sürdürülebilir gıda üretimine duyulan gereksinim, gıda üretimi ve gıda güvenliğini küresel ölçekte önemli bir sorun haline getirmiştir. Bu koşullar, bitkisel ve hayvansal üretimde verimliliğin artırılması, hastalıkların tedavisi, çevresel streslere dayanıklı ve değişen koşullara uyum sağlayabilen canlıların geliştirilebilmesine yönelik araştırmaların önemini artırmaktadır. Geleneksel ıslah ve seleksiyon yöntemlerinin yanı sıra, genetik özelliklerin daha hedefe yönelik biçimde değiştirilmesine olanak sağlayan genom düzenleme teknolojileri günümüzde geniş bir uygulama alanı sunmaktadır.
Son yıllarda genom düzenleme alanındaki gelişmeler, farklı hücre tipleri ve organizmalarda hedefe özgü genetik değişikliklerin daha hızlı, hassas ve kontrollü biçimde gerçekleştirilmesine olanak sağlamıştır. Bu teknolojiler arasında CRISPR/Cas sistemleri, kullanım kolaylığı, programlanabilirliği ve farklı biyolojik sistemlere uygulanabilirliği sayesinde genom düzenleme çalışmalarında öne çıkan yaklaşımlardan biri haline gelmiştir.
Anahtar Kelimeler: Genom Düzenleme, CRISPR/Cas, Cas9, Cas12a, Cas13
Konu Alanı: Tarım Bilimleri -> Agronomi ve Bitkisel Üretim Bilimi -> Moleküler Genetik ve Biyoteknoloji
Anzalone, A. V., Koblan, L. W., & Liu, D. R. (2020). Genome editing with CRISPR–Cas nucleases, base editors, transposases and prime editors. Nature Biotechnology, 38(7), 824–844. https://doi.org/10.1038/s41587-020-0561-9
Anzalone, A. V., Randolph, P. B., Davis, J. R., Sousa, A. A., Koblan, L. W., Levy, J. M., Chen, P. J., Wilson, C., Newby, G. A., Raguram, A., & Liu, D. R. (2019). Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA. Nature, 576(7785), 149–157. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1711-4
Barrangou, R., Fremaux, C., Deveau, H., Richards, M., Boyaval, P., Moineau, S., Romero, D. A., & Horvath, P. (2007). CRISPR Provides Acquired Resistance Against Viruses in Prokaryotes. Science, 315(5819), 1709–1712. https://doi.org/10.1126/science.1138140
Cai, H., Zhang, B., Ahrenfeldt, J., Joseph, J. V., Riedel, M., Gao, Z., Thomsen, S. K., Christensen, D. S., Bak, R. O., Hager, H., Vendelbo, M. H., Gao, X., Birkbak, N., & Thomsen, M. K. (2024). CRISPR/Cas9 model of prostate cancer identifies Kmt2c deficiency as a metastatic driver by Odam/Cabs1 gene cluster expression. Nature Communications, 15(1), 2088. https://doi.org/10.1038/s41467-024-46370-0
Cong, L., Ran, F. A., Cox, D., Lin, S., Barretto, R., Habib, N., Hsu, P. D., Wu, X., Jiang, W., Marraffini, L. A., & Zhang, F. (2013). Multiplex Genome Engineering Using CRISPR/Cas Systems. Science, 339(6121), 819–823. https://doi.org/10.1126/science.1231143
Crispo, M., Mulet, A. P., Tesson, L., Barrera, N., Cuadro, F., dos Santos-Neto, P. C., Nguyen, T. H., Crénéguy, A., Brusselle, L., Anegón, I., & Menchaca, A. (2015). Efficient Generation of Myostatin Knock-Out Sheep Using CRISPR/Cas9 Technology and Microinjection into Zygotes. PLOS ONE, 10(8), e0136690. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0136690
Cuellar, C. J., Amaral, T. F., Rodriguez‐Villamil, P., Ongaratto, F., Martinez, D. O., Labrecque, R., Losano, J. D. de A., Estrada‐Cortés, E., Bostrom, J. R., Martins, K., Rae, D. O., Block, J., Hoorn, Q. A., Daigneault, B. W., Merriam, J., Lohuis, M., Dikmen, S., Bittar, J. H. J., Maia, T. S., … Hansen, P. J. (2024). Consequences of gene editing of PRLR on thermotolerance, growth, and male reproduction in cattle. FASEB BioAdvances, 6(8), 223–234. https://doi.org/10.1096/fba.2024-00029
Doudna, J. A., & Charpentier, E. (2014). The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9. Science, 346(6213). https://doi.org/10.1126/science.1258096
Frangoul, H., Altshuler, D., Cappellini, M. D., Chen, Y.-S., Domm, J., Eustace, B. K., Foell, J., de la Fuente, J., Grupp, S., Handgretinger, R., Ho, T. W., Kattamis, A., Kernytsky, A., Lekstrom-Himes, J., Li, A. M., Locatelli, F., Mapara, M. Y., de Montalembert, M., Rondelli, D., … Corbacioglu, S. (2021). CRISPR-Cas9 Gene Editing for Sickle Cell Disease and β-Thalassemia. New England Journal of Medicine, 384(3), 252–260. https://doi.org/10.1056/NEJMoa2031054
Gasiunas, G., Barrangou, R., Horvath, P., & Siksnys, V. (2012). Cas9–crRNA ribonucleoprotein complex mediates specific DNA cleavage for adaptive immunity in bacteria. Proceedings of the National Academy of Sciences, 109(39). https://doi.org/10.1073/pnas.1208507109
Gootenberg, J. S., Abudayyeh, O. O., Lee, J. W., Essletzbichler, P., Dy, A. J., Joung, J., Verdine, V., Donghia, N., Daringer, N. M., Freije, C. A., Myhrvold, C., Bhattacharyya, R. P., Livny, J., Regev, A., Koonin, E. V., Hung, D. T., Sabeti, P. C., Collins, J. J., & Zhang, F. (2017). Nucleic acid detection with CRISPR-Cas13a/C2c2. Science, 356(6336), 438–442. https://doi.org/10.1126/science.aam9321
Hebert, J. D., Xu, H., Tang, Y. J., Ruiz, P. A., Detrick, C. R., Wang, J., Hughes, N. W., Donosa, O., Siah, V. P., Andrejka, L., Karmakar, S., Aboiralor, I., Tang, R., Sotillo, R., Sage, J., Cong, L., Petrov, D. A., & Winslow, M. M. (2025). Efficient and multiplexed somatic genome editing with Cas12a mice. Nature Biomedical Engineering, 9(11), 1982–1997. https://doi.org/10.1038/s41551-025-01407-7
Huang, J., Chen, W., Gao, L., Qing, D., Pan, Y., Zhou, W., Wu, H., Li, J., Ma, C., Zhu, C., Dai, G., & Deng, G. (2024). Rapid improvement of grain appearance in three-line hybrid rice via CRISPR/Cas9 editing of grain size genes. Theoretical and Applied Genetics, 137(7), 173. https://doi.org/10.1007/s00122-024-04627-8
Jarrett, K. E., Lee, C. M., Yeh, Y.-H., Hsu, R. H., Gupta, R., Zhang, M., Rodriguez, P. J., Lee, C. S., Gillard, B. K., Bissig, K.-D., Pownall, H. J., Martin, J. F., Bao, G., & Lagor, W. R. (2017). Somatic genome editing with CRISPR/Cas9 generates and corrects a metabolic disease. Scientific Reports, 7(1), 44624. https://doi.org/10.1038/srep44624
Jinek, M., Chylinski, K., Fonfara, I., Hauer, M., Doudna, J. A., & Charpentier, E. (2012). A Programmable Dual-RNA–Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity. Science, 337(6096), 816–821. https://doi.org/10.1126/science.1225829
Kim, H. S., Grimes, S. M., Chen, T., Sathe, A., Lau, B. T., Hwang, G.-H., Bae, S., & Ji, H. P. (2024). Direct measurement of engineered cancer mutations and their transcriptional phenotypes in single cells. Nature Biotechnology, 42(8), 1254–1262. https://doi.org/10.1038/s41587-023-01949-8
Komor, A. C., Kim, Y. B., Packer, M. S., Zuris, J. A., & Liu, D. R. (2016). Programmable editing of a target base in genomic DNA without double-stranded DNA cleavage. Nature, 533(7603), 420–424. https://doi.org/10.1038/nature17946
Korkmaz, G., Lopes, R., Ugalde, A. P., Nevedomskaya, E., Han, R., Myacheva, K., Zwart, W., Elkon, R., & Agami, R. (2016). Functional genetic screens for enhancer elements in the human genome using CRISPR-Cas9. Nature Biotechnology, 34(2), 192–198. https://doi.org/10.1038/nbt.3450
Li, W., Liu, C., Zhang, X., Chen, L., Peng, X., He, S., Lin, J., Han, B., Wang, L., Huang, J., & Liu, M. (2017). CRISPR/Cas9‐mediated loss of FGF5 function increases wool staple length in sheep. The FEBS Journal, 284(17), 2764–2773. https://doi.org/10.1111/febs.14144
Mali, P., Yang, L., Esvelt, K. M., Aach, J., Guell, M., DiCarlo, J. E., Norville, J. E., & Church, G. M. (2013). RNA-Guided Human Genome Engineering via Cas9. Science, 339(6121), 823–826. https://doi.org/10.1126/science.1232033
Marraffini, L. A., & Sontheimer, E. J. (2010). CRISPR interference: RNA-directed adaptive immunity in bacteria and archaea. Nature Reviews Genetics, 11(3), 181–190. https://doi.org/10.1038/nrg2749
Mojica, F. J. M., D�ez-Villase�or, C., Garc�a-Mart�nez, J., & Soria, E. (2005). Intervening Sequences of Regularly Spaced Prokaryotic Repeats Derive from Foreign Genetic Elements. Journal of Molecular Evolution, 60(2), 174–182. https://doi.org/10.1007/s00239-004-0046-3
Morelli, K. H., Wu, Q., Gosztyla, M. L., Liu, H., Yao, M., Zhang, C., Chen, J., Marina, R. J., Lee, K., Jones, K. L., Huang, M. Y., Li, A., Smith-Geater, C., Thompson, L. M., Duan, W., & Yeo, G. W. (2023). An RNA-targeting CRISPR–Cas13d system alleviates disease-related phenotypes in Huntington’s disease models. Nature Neuroscience, 26(1), 27–38. https://doi.org/10.1038/s41593-022-01207-1
Nishimasu, H., Ran, F. A., Hsu, P. D., Konermann, S., Shehata, S. I., Dohmae, N., Ishitani, R., Zhang, F., & Nureki, O. (2014). Crystal Structure of Cas9 in Complex with Guide RNA and Target DNA. Cell, 156(5), 935–949. https://doi.org/10.1016/j.cell.2014.02.001
Nonaka, S., Arai, C., Takayama, M., Matsukura, C., & Ezura, H. (2017). Efficient increase of ɣ-aminobutyric acid (GABA) content in tomato fruits by targeted mutagenesis. Scientific Reports, 7(1), 7057. https://doi.org/10.1038/s41598-017-06400-y
Saikia, B., S, R., Debbarma, J., Maharana, J., Sastry, G. N., & Chikkaputtaiah, C. (2024). CRISPR/Cas9-based genome editing and functional analysis of SlHyPRP1 and SlDEA1 genes of Solanum lycopersicum L. in imparting genetic tolerance to multiple stress factors. Frontiers in Plant Science, 15. https://doi.org/10.3389/fpls.2024.1304381
Schwank, G., Koo, B.-K., Sasselli, V., Dekkers, J. F., Heo, I., Demircan, T., Sasaki, N., Boymans, S., Cuppen, E., van der Ent, C. K., Nieuwenhuis, E. E. S., Beekman, J. M., & Clevers, H. (2013). Functional Repair of CFTR by CRISPR/Cas9 in Intestinal Stem Cell Organoids of Cystic Fibrosis Patients. Cell Stem Cell, 13(6), 653–658. https://doi.org/10.1016/j.stem.2013.11.002
Tao, J., Bauer, D. E., & Chiarle, R. (2023). Assessing and advancing the safety of CRISPR-Cas tools: from DNA to RNA editing. Nature Communications, 14(1), 212. https://doi.org/10.1038/s41467-023-35886-6
Tara, A., Singh, P., Gautam, D., Tripathi, G., Uppal, C., Malhotra, S., De, S., Singh, M. K., Telugu, B. P., & Selokar, N. L. (2024). CRISPR-mediated editing of β-lactoglobulin (BLG) gene in buffalo. Scientific Reports, 14(1), 14822. https://doi.org/10.1038/s41598-024-65359-9
U.S. Food & Drug Administration. (2023). 2023 biological license application approvals. 2023 Biological License Application Approvals. https://www.fda.gov/vaccines-blood-biologics/development-approval-process-cber/2023-biological-license-application-approvals
U.S. Food & Drug Administration. (2024). 2024 biological license application approvals. https://www.fda.gov/vaccines-blood-biologics/development-approval-process-cber/2024-biological-license-application-approvals
U.S. Food & Drug Administration. (2026). CASGEVY (exagamglogene autotemcel). https://www.fda.gov/vaccines-blood-biologics/casgevy
Wang, T., Xun, H., Wang, W., Ding, X., Tian, H., Hussain, S., Dong, Q., Li, Y., Cheng, Y., Wang, C., Lin, R., Li, G., Qian, X., Pang, J., Feng, X., Dong, Y., Liu, B., & Wang, S. (2021). Mutation of GmAITR Genes by CRISPR/Cas9 Genome Editing Results in Enhanced Salinity Stress Tolerance in Soybean. Frontiers in Plant Science, 12. https://doi.org/10.3389/fpls.2021.779598
Yıldırım, K., Kavas, M., Kaya, R., Seçgin, Z., Can, C., Sevgen, I., Saraç, Ç. G., & Tahan, V. (2022). Genome-based identification of beet curly top Iran virus infecting sugar beet in Turkey and investigation of its pathogenicity by agroinfection. Journal of Virological Methods, 300, 114380. https://doi.org/10.1016/j.jviromet.2021.114380
Yıldırım, K., Kavas, M., Küçük, İ. S., Seçgin, Z., & Saraç, Ç. G. (2023). Development of Highly Efficient Resistance to Beet Curly Top Iran Virus (Becurtovirus) in Sugar Beet (B. vulgaris) via CRISPR/Cas9 System. International Journal of Molecular Sciences, 24(7), 6515. https://doi.org/10.3390/ijms24076515
Zeng, X., Luo, Y., Vu, N. T. Q., Shen, S., Xia, K., & Zhang, M. (2020). CRISPR/Cas9-mediated mutation of OsSWEET14 in rice cv. Zhonghua11 confers resistance to Xanthomonas oryzae pv. oryzae without yield penalty. BMC Plant Biology, 20(1), 313. https://doi.org/10.1186/s12870-020-02524-y
Zetsche, B., Gootenberg, J. S., Abudayyeh, O. O., Slaymaker, I. M., Makarova, K. S., Essletzbichler, P., Volz, S. E., Joung, J., van der Oost, J., Regev, A., Koonin, E. V., & Zhang, F. (2015). Cpf1 Is a Single RNA-Guided Endonuclease of a Class 2 CRISPR-Cas System. Cell, 163(3), 759–771. https://doi.org/10.1016/j.cell.2015.09.038
Zhang, H., Si, X., Ji, X., Fan, R., Liu, J., Chen, K., Wang, D., & Gao, C. (2018). Genome editing of upstream open reading frames enables translational control in plants. Nature Biotechnology, 36(9), 894–898. https://doi.org/10.1038/nbt.4202
Zhang, R., Li, Y., Jia, K., Xu, X., Li, Y., Zhao, Y., Zhang, X., Zhang, J., Liu, G., Deng, S., & Lian, Z. (2020). Crosstalk between androgen and Wnt/β-catenin leads to changes of wool density in FGF5-knockout sheep. Cell Death & Disease, 11(5), 407. https://doi.org/10.1038/s41419-020-2622-x
Zheng, M., Lin, J., Liu, X., Chu, W., Li, J., Gao, Y., An, K., Song, W., Xin, M., Yao, Y., Peng, H., Ni, Z., Sun, Q., & Hu, Z. (2021). Histone acetyltransferase TaHAG1 acts as a crucial regulator to strengthen salt tolerance of hexaploid wheat. Plant Physiology, 186(4), 1951–1969. https://doi.org/10.1093/plphys/kiab187
| Kitap: |
| Yayınevi:
Vizetek Yayıncılık |