Yapay Zeka Destekli SlugCas9, Kalp Hastalığı Genlerini Hedefliyor

Rice Üniversitesi'nden kimyager Han Xiao ve ekibi, yapay zekâ destekli Sequence Display teknolojisini kullanarak CRISPR/Cas9 sisteminin hedefleyebildiği DNA bölgelerini genişletti. Nature Communications dergisinde yayımlanan çalışmada, küçük boyutlu bir Cas9 enziminin birkaç yeni türevi geliştirildi. Bu türevler, daha önce düzenlemeye kapalı kalan DNA parçalarına verimli biçimde ulaşabiliyor. Araştırmacılar kavram kanıtı olarak, koroner kalp hastalığıyla ilişkilendirilen iki geni de düzenlemeyi başardı.

Sorun enzimin tutunabildiği noktada başlıyor

Cas9, DNA üzerinde rastgele bir yere kesim yapmaz. Önce PAM adı verilen kısa bir DNA dizisine bağlanır. Uzunluğu iki ile altı baz çifti arasında değişebilen bu dizi, enzim için bir tür yanaşma istasyonu gibi çalışır. Enzim uygun bir PAM'i tanıyınca, kılavuz RNA'nın eşleştiği komşu hedef diziyi düzenleyebilir. Bu yüzden CRISPR ile yapılacak her değişiklik, bir PAM'e belirli bir uzaklık içinde kalmak zorundadır.

Birçok Cas enzimi birden fazla PAM'i tanır, ancak çoğu bazı PAM'lerde diğerlerine göre çok daha verimli çalışır. Bir genin çevresinde yalnızca "kaygan" PAM'ler varsa, o gene CRISPR ile ulaşmak zorlaşır. Belirli bir enzim türünün gerekli olduğu çalışmalarda sorun daha da büyür. Çalışmanın ilk yazarı doktora öğrencisi Linqi Cheng'e göre bir genin içindeki PAM'leri kolayca ya da hassas biçimde değiştirmek mümkün değil. Çözüm, enzimi genin zaten taşıdığı PAM'leri daha iyi tanıyacak şekilde evriltmekti.

Bir hafta içinde umut vadeden adaylar

Ekip, küçük boyutu ve yaygın kullanımı nedeniyle SlugCas9 enzimini seçti. SlugCas9 pek çok PAM'i tanıyıp bağlanabiliyor. Ancak araştırmacıların özellikle ilgilendiği dört PAM'de zayıf kalıyor; bu dizileri tanıyor ama çoğu zaman tutunamıyor ya da yerinden kayıyordu. Başka gruplar da bu zor PAM'lere oturabilecek Cas9 türevleri geliştirmeye çalışmış, fakat sınırlı başarı elde etmişti. Evrimi bağlanma yeteneğini bu kadar özel biçimde artıracak yönde yönlendirmek zordu.

Sequence Display yaklaşımı bu noktada fark yarattı. Yöntem, hızla büyük veri kümeleri üretiyor ve yapay zekâ bu verilerden belirli bir işlev için en uygun protein dizilerini seçebiliyor. Xiao'nun ekibi, umut vadeden adayları yalnızca bir hafta içinde belirledi. Sonuçta, dört zor PAM'de etkinliği artmış birkaç SlugCas9 türevi ortaya çıktı.

Kalp hastalığıyla ilişkili iki gen

Geliştirilen enzimler APOC3 ve PCSK9 genlerinde denendi. Araştırmacıların düzenlemek istediği bölgeler, önceki SlugCas9 sürümlerinin güvenilir biçimde bağlanamadığı PAM'leri taşıyordu. Cheng'in anlatımına göre evrilmiş enzim bu bölgeleri kültürlenmiş hücrelerde kolay ve hassas şekilde düzenledi. Yapılan değişiklikler, koroner kalp hastalığı riskinin düşüklüğüyle bağlantılı, potansiyel olarak koruyucu genetik değişimlerdi. Deneyler hücre kültüründe yapıldı; çalışma bir hasta tedavisi değil, yöntemin işe yaradığını gösteren bir kanıt niteliğinde.

Neden önemli?

Gen düzenlemede en büyük kısıtlardan biri, hedef bölgenin enzimin erişebildiği yerde olması. İlgi çeken bir değişiklik tam da enzimin zayıf kaldığı bir PAM'in yanındaysa, araştırmacılar ya başka bir enzime yönelmek ya da verimsiz sonuçlarla yetinmek zorunda kalıyor. Enzimin kendisini hedefe uyarlamak, bu kısıtı gevşetebilecek bir yol. Küçük boyutlu enzimler ise taşınmaları görece kolay olduğu için biyomedikal uygulamalarda tercih ediliyor; bu nedenle SlugCas9 gibi kompakt bir aracın erişim alanının büyümesi dikkat çekici.

APOC3 ve PCSK9 genleri, kan yağlarının ve kolesterolün düzenlenmesiyle ilişkilendirildiği için kalp-damar araştırmalarında sık anılıyor. Bu genlerdeki koruyucu değişiklikleri hedeflemek, CRISPR temelli stratejiler için cazip bir alan. Yine de hücre kültüründeki başarı ile insanlarda güvenli ve etkili bir tedavi arasında uzun bir klinik yol var. Bu çalışma o yolun yerine geçmiyor; yalnızca hangi bölgelerin düzenlenebileceği sorusuna daha geniş bir cevap sunuyor.

Yaklaşımın daha geniş mesajı

Xiao, CRISPR/Cas9'un araştırma ve tıpta çağın en umut verici teknolojilerinden biri olduğunu söylüyor. Ona göre her uygulama, o iş için optimize edilmiş ve evriltilmiş Cas9 enzimlerine dayanıyor. Bulgular, Sequence Display'in yalnızca Cas9'u değil, başka proteinleri de karmaşık ve acil teknik gereksinimlere göre hızla evriltmek için anahtar olabileceğini gösteriyor. Çalışma, yapay zekâ ile büyük ölçekli deneysel verinin birleşiminin protein mühendisliğinde zaman kazandırabileceğine işaret ediyor.