Genetik Kodlama Nedir? Neden Temel Bir Yaklaşımdır?

Nöron kodlama denildiğinde çoğu zamanlar akla birinci olarak önceki makalelerimizde açıkladığımız ışıkla ya da kimyasal maddelerle yapılan müdahaleler gelir. Optogenetik ve kemogenetik yaklaşımlar, nöronların ne zamanlar etkin olacağını ya da susturulacağını belirlememizi sağlar bununla birlikte bu yöntemlerin nöronun şimdiki biyolojik altyapısını muhafaza etmek gibi müşterek tek özelliği vardır. Genetik kodlama ise bu noktada köktenci biçimde ayrılır. Bu yaklaşımda amaç, nörona geçici tek denetim mekanizması ekledi değil; nöronun hangi tür tek hücre olduğu, hangi proteinleri ürettiği, nasıl elektriksel davrandığı ve hangi sinyallere duyarlı olduğu gibi ilköğretim özelliklerini DNA düzeyinde yeniden tanımlamaktır.

Başka tek deyişle kalıtsal kodlama, nöronun davranışını yönetmekten ziyade nöronun ne olduğu sualsuna yanıt verir. Bu nedenle kalıtsal kodlama, nöron programlamanın altyapısıdr.

Genetik Kodlama Nedir?

Genetik kodlama, tek nöronun genomuna yepyeni kalıtsal malumat eklenmesi ya da şimdiki kalıtsal dizilerin değiştirilmesi yoluyla nöronun biyolojik özelliklerinin bilinçli olarak değiştirilmesidir.^[7]

Bu düzenleme nöronun;

• Üreteceği iyon kanallarını,
• Taşıyacağı reseptörleri,
• Elektriksel uyarılabilirliğini,
• Sinaptik plastisite kapasitesini ,
• Hücre içi hatırlatma yolaklarını doğrudan tesirler.

Bu yaklaşım, nöronu dışarıdan mekanik olarak güçlayan tek denetim yöntemi değildir. Bunun seçenek hücrenin öz biyolojik mekanizmalarını yeniden programlayan tek müdahale biçimidir. Böylece nöronlara ışığa duyarlı proteinler eklenebilir, kimyasal anahtarlarla denetim edilebilen hücreler oluşturulabilir ya da nöronların elektriksel uyarılabilirliği kalıtsal düzeyde değiştirilebilir.

Genetik Kodlama Neden Temel Bir Yaklaşımdır?

Optogenetik ya da DREADDs gibi yöntemler kalıtsal kodlama olmadan uygulanamaz çünkü bu tekniklerin çalışabilmesi için ilgili proteinlerin genlerinin önce nöronun DNA'sına eklenmesi lüzumir bununla birlikte kalıtsal kodlamanın önemi bununla sınırlı değildir. Genetik müdahale sayesinde nöronun yanıt verebileceği uyaran türleri artırılabilir, nörona doğal olarak malik olmadığı fonksiyonlar kazandırılabilir ve nöronun hücresel kimliği yeniden tanımlanabilir. Bu özellikler kalıtsal kodlamayı nöron programlamanın en yoğun katmanı haline getirir.

Genetik Kod Nörona Nasıl Yazılır?

Genetik kodlama farklı biyomühendislik araçlarıyla gerçekleştirilebilir. Araştırmacılar bu süreçte kalıtsal malumatyi nöronlara taşımak, değiştirmek ya da denetlemek için çeşitli moleküler araçlardan yararlanır. Bu araçlar sayesinde nöronların hangi proteinleri üreteceği, hangi reseptörleri taşıyacağı ya da ne kadar uyarılabilir olacağı gibi ilköğretim biyolojik özellikler kalıtsal düzeyde düzenlenebilir. Modern nörobilimde bu tür müdahaleler genelleme viral vektörler aracılığıyla genetik aktarımı, CRISPR tabanlı genom düzenleme teknikleri veya transgenik modeller organizmaların kullanılması yoluyla gerçekleştirilir.^[8]

Viral Vektörler ile Gen Aktarımı

Nöronlara kalıtsal malumat aktarmanın en yaygın yolu, kalıtsal taşıyıcı olarak modifiye edilmiş virüsler istimal etmektır. Bu virüsler hastalık yapma özelliklerinden arındırılmıştır ve yalnızca kalıtsal materyal taşımak üzere tasarlanmıştır. En sık kullanılan viral vektörler arasında AAV ve lentivirüsler mekan alır. Bu vektörler hedeflenen beyin bölgesine verildiğinde nöronlara girerek taşıdıkları kalıtsal malumatyi hücre içine aktarır.

Viral vektörlerin en önemli avantajı spesifik hedeflemede bulunabilmesidir. Uygun promoter seçimi sayesinde yalnızca dopaminerjik, GABAerjik ya da kesin kortikal dip gruplar tesirlenebilir.

CRISPR ile Doğrudan Gen Düzenleme

Genetik kodlamanın en doğrudan ve güçlü araçlarından arasında biri CRISPR teknolojisidir. CRISPR genom üzerinde istenen noktalarda kesme, silme ya da ilave yapılmasını mümkün kılar. Bu teknolojiler sayesinde;

• Belirli iyon kanalları tamamlanmış devre dışı bırakılabilir.
• Yeni proteinler doğrudan genom içine entegre edilebilir.
• Reseptör yapıları yeniden tasarlanabilir.
• Gen ekspresyon seviyeleri duyarlı biçimde ayarlanabilir.

CRISPR'ın en önemli özelliği yapılan değişikliklerin kalıcı olmasıdır. Bu şart nöronun elektriksel ve kimyasal özelliklerinin uzunluğu vadede yeniden tanımlanmasına olanak sunar. CRISPR, yepyeni tür nöronlar tasarlamak için kullanılan tek araç olarak görülmektedir.

Transgenik Model Sistemler

Bazı araştırmalarda kalıtsal kodlama, tekbaşına tek nöronlara müdahale edilerek değil tüm organizmanın kalıtsal yapısının baştan düzenlenmesiyle gerçekleştirilir. Bu yaklaşım transgenik hayvan modelleri üzerinden yürütülür. Transgenik fareler, zebra balıkları ya da sinekler kesin genleri doğuştan ifadeleri edecek şekilde üretilir. Bu canlıların nöronları zaten ışığa duyarlı olabilir, kesin reseptörlere malik olabilir ya da floresan proteinlerle işaretlenmiş halde doğabilir. Bu yöntem kalıtsal kodlamanın en hükümlı ve tutarlı biçimi da olsa maliyetli olması ve görece uzunluğu süre lüzumtirmesi dolayı daha sınırlı kullanılır.

Genetik Kodlama ile Nöron Nasıl Programlanır?

Nöron programlama süreci, hücreye yepyeni tek kalıtsal özelliğin kazandırılmasıyla başlar. Bu özellik; viral vektörler, CRISPR tabanlı genom düzenleme araçları ya da transgenik yaklaşımlar gibi yöntemlerle nöronun DNA’sına eklenen ya da şimdiki genlerin değiştirilmesiyle elde edilen kalıtsal malumat sayesinde belirlenir. Eklenen ya da düzenlenen genler, nöronun hangi sinyallere duyarlı olacağını, hangi proteinleri üreteceğini ve elektriksel olarak nasıl davranacağını belirleyen biyolojik talimatları içerir. Böylece nöronun işlevsel özellikleri kalıtsal düzeyde yeniden tanımlanmış olur.

Pixabay

Genetik malumatnin hücreye yerleştirilmesinden sonraları bu malumat, hücrenin doğal moleküler mekanizmaları tarafından işlenir. DNA’daki kalıtsal talimatlar önce mRNA’ya kopyalanır, ardından ribozomlar tarafından proteinlere çevrilir. Ortaya çıkan proteinler nöronun zarında yepyeni iyon kanallarının oluşmasına, kesin reseptörlerin eklenmesine ya da hücre içi hatırlatma yolaklarının değişmesine yolda açabilir. Bu süreç nihayetinde nöronun elektriksel uyarılabilirliği, sinaptik bağlantıları ve çevresel uyaranlara verdiği yanıtlar değişir.

Bu biyolojik dönüşüm tamamlandığında nöron artık yepyeni kalıtsal programlar doğrultusunda çalışmaya başlar. Örneğin ışığa duyarlı iyon kanalları taşıyan tek nöron kesin dalgalı boylarındaki ışığa yanıt verebilir, kemogenetik reseptörler taşıyan tek nöron yalnızca kesin kimyasal moleküllerle aktive edilebilir. Böylece nöronun aktivitesi dışarıdan kesin sinyallerle denetim edilebilir hale gelir. Bu noktada hücre, yalnızca doğal fizyolojisiyle çalışan tek nöron bulunmaktan çıkar ve kesin deneysel ya da mühendislik amaçları doğrultusunda tasarlanmış tek biyolojik sistemleri haline gelir.

Genetik Kodlamanın Sağladığı Güç ve Kullanım Alanları

Genetik kodlamanın en önemli avantajı kalıcılıktır. Işık ya da kimyasal temelli yöntemler geçici tesirler yaratırken kalıtsal müdahaleler uzunluğu süreli ya da kalıcı sonuçlar doğurabilir. Ayrıca hücre tipi özgüllüğü oğullar seviye yüksektir. Promoter seçimi ve kalıtsal hedefleme sayesinde yalnızca kesin nöron popülasyonları tesirlenebilir.

Genetik kodlama, çoklu programlamayı da mümkün kılar. Aynı nöron hem ışığa duyarlı hem kimyasal anahtarlarla denetim edilebilecek hem da voltaj sensörleri taşıyacak şekilde tasarlanabilir. Bu tür kombinasyonlar nöral devre mühendisliğinin önünü açmaktadır.

Genetik nöron programlama; hafıza izlerinin tanımlanması, sinaptik plastisitenin moleküler temellerinin incelenmesi ve beyin devrelerinin haritalanması gibi ilköğretim nörobilim alanlarında kullanılmaktadır.

Bunun yanı sıra CRISPR tabanlı yaklaşımlar; Parkinson, ALS ve retina dejenerasyonu gibi nörolojik hastalıklar için gizilgüç tedavisi stratejileri olarak araştırılmaktadır. Ayrıca biyomühendislik ve nöroteknoloji alanında, nöronların yapay çiplerle daha uyumlu çalışması için hücresel özelliklerin kalıtsal düzeyde yeniden tasarlanması hedeflenmektedir.

Sonuç

Genetik kodlamanın bazı teknikleri sınırlamaları vardır. Gen ifadesinin duyarlı kontrolü, istenmeyen taraf tesirler ve bağışıklık yanıtları dikkatle yönetilmelidir. CRISPR tabanlı yaklaşımlarda hedefleri dışı tesirler önemli tek araştırma başlıksudur. İnsan beynine kalıtsal müdahaleler ise vahim ahlak sınırlamalara tabidir. Bu nedenle çalışmalar büyük ölçüde hayvan modelleri ve hücre kültürleriyle sınırlı kedinmektadır.^{[1], [2], [3], [4], [5]}