İnsan Genom Projesi biyolojide nasıl devrim yarattı?

Yirmi yıl sonra, bu alan tanınmayacak kadar değişti.

Büyük güzeldir. İkinci Dünya Savaşı sonrası bilimin mesajı buydu. Model, ilk atom bombalarını yapmak için Manhattan Projesi idi. Düşmanlıklar sona erdiğinde, maddeyi gittikçe daha küçük ölçeklerde incelemek için daha büyük parçacık hızlandırıcıları ve bu incelemeyi hayal edilebilecek en büyük ölçeklerde yapmak için daha büyük teleskoplarla devam etti. Ve elbette, 1960'ların ortalarında doruk noktasına ulaştığında Amerika'nın federal bütçesinin %4'ünden fazlasını emen uzay yarışı vardı. Apollo'nun Ay'a inişinin ardından, uzay mekiği ve Uluslararası Uzay İstasyonu'nun yanı sıra güneş sisteminin en ücra köşelerini keşfetmeye yönelik mürettebatsız görevler programı da ortaya çıktı.

Bilim insanları için güzel bir şey. Fakat çok 20. yüzyıl kokuyor. Çünkü tüm bu projeler esasen fizikle ilgiliydi. 1980'lerin sonlarına doğru biyologlar gelecek yüzyılın kendilerine ait olacağına dair güven kazanmaya başlamışlardı. Biyoteknoloji - DNA'nın kendisiyle kâr amacıyla oynama becerisi - kanatlanmaya başlamıştı. Eğitim gören biyologların sayısında patlama yaşanıyordu. Alandaki bazıları fizikçilere imrenerek bakıyor ve ekmeklerini sosa batırmak için nerede sıraya girebileceklerini soruyorlardı.

Cevap, her zamanki siyasi pazarlıkların ardından, sekizi Amerika Birleşik Devletleri dışında olmak üzere 20 laboratuvardan oluşan Uluslararası İnsan Genomu Dizileme Konsorsiyumu aracılığıyla küreselleştirilen bir Amerikan girişimi olan İnsan Genomu Projesi (HGP) oldu. Büyük fizik standartlarına göre ucuz olsa da (öngörülen 3 milyar dolarlık maliyeti ancak uzay istasyonuna birkaç mekik fırlatmaya yeterdi), biyolojiye büyük zamanların tadını verdi. Ayrıca medya için önemli ve sürekli bir haber hikayesi yarattı - disiplin için bir Apollo projesi de diyebilirsiniz. DNA dizileme teknolojisinin gelişimini teşvik ederek, biyolojik araştırmaların büyük ölçekte nasıl organize edilebileceğini göstererek ve sonuçlarıyla moleküler genetik alanında devrim yaratarak biyolojinin kendisini değiştirdi.

Bir milyar burada, bir milyar orada.

Amaç, parayı insan genomunun DNA'sını oluşturan 3 milyar kadar baz çiftinin sırasını bulmak için harcamaktı. Baz çiftleri, DNA olan çift sarmalın kalbini oluşturan ikiz kimyasal birimlerdir. Bunların tek tek bileşenleri (A&T ve C&G) genetik yazının kimyasal harfleridir.

Proje 1990'da başladığında insanlar bu yazının iki şekilde olduğunu düşünüyordu: genler ve çöpler. Genlerin neredeyse tamamı proteinleri kodluyor ve bilgilerini RNA adı verilen DNA benzeri bir maddeden yapılmış haberci moleküller aracılığıyla hücrenin protein oluşturma aygıtına aktarıyordu. Sözde gereksiz şeyler, yani bildiğiniz gereksiz şeylerdi.

Ne kadar da yanılıyorlardı. İşlevsel DNA'da sadece protein kodlayan genlerden çok daha fazlası olduğu ortaya çıktı. Artık, her biri farklı bir iş yapan yarım düzineden fazla mesajcı olmayan RNA sınıfını ortaya çıkaran genler olduğu da düşünülüyor. Protein yapımında görev alanların yanı sıra, diğerleri gen düzenlemesine, DNA replikasyonuna ve RNA habercilerinden gereksiz materyalin çıkarıldığı uç-birleştirme sürecine yardımcı olur. Bunların da ötesinde, bir genin vücut hücrelerinde nasıl ifade edileceğini düzenlemeye yarayan DNA uzantıları vardır.

İşlevsel olmayan DNA bile ilginçtir. Çoğunluğu retrotranspozon adı verilen ve parazitlerin genetik eşdeğeri olarak görülebilecek kendi kendini kopyalayan unsurlardan oluşsa da bazıları yararlı rollere bürünmüştür. Bunların arasında eski viral enfeksiyonların ve bir zamanlar çalışan ancak doğal seçilimin devre dışı bıraktığı genlerin fosil kalıntıları gömülüdür.

Diğer beklenmedik keşif ise protein kodlayan genlerin sayısının ne kadar az olduğuydu. Başlangıçtaki tahminler 50.000 ila 100.000 arasında değişiyordu. Aslında bu rakam yaklaşık 20.000'dir. Bu sayı, fareler için ortaya çıkan durumla (kendi yan genom dizileme projesi olan) aşağı yukarı aynıdır ve meyve sineklerinden (aynı şekilde) sadece %50 daha fazladır. İnsanları diğer hayvanlardan daha büyük ve sofistike yapan şey her ne ise, protein kodlayan daha fazla gene sahip olmak değildir.

Yine de bunları öğrenmek biraz zaman aldı. Önce projenin kurulması gerekiyordu. Bu, Francis Crick ile birlikte DNA'nın çift sarmal yapısını ve baz eşleşmesinin nasıl işlediğini keşfeden James Watson'ın himayesinde gerçekleşti: genetik bir dizide A (adenin) her zaman T (timin) ile eşleşir ve G (guanin) her zaman C (sitozin) ile eşleşir. Genomun kendisi gibi, bu proje de bir derme çatma, aceleye gelmiş bir çözüm idi. Konsorsiyum aracılığıyla uluslararası uzantısının karmaşıklığının yanı sıra, Amerikan kısmının bile iki efendisi vardı. Ülkenin Ulusal Sağlık Enstitüleri (NIH) tarafından yönetiliyordu. Ancak Enerji Bakanlığı (DoE) da işin içindeydi. DoE'nin nükleer (Amerika'nın silah laboratuvarlarını yönetiyor) ve dolayısıyla mutajenik olarak radyoaktif konulara olan ilgisi, ona genetik araştırma yapma konusunda köklü bir yetki vermişti. Bu da bürokrasiyi karmaşıklaştırıyordu.

Dr. Watson 1992'de DNA dizilerinin patentlenmesiyle ilgili bir anlaşmazlık nedeniyle ayrıldı (kendisi istemedi ama NIH bazı durumlarda bunu kabul etti) ve yerine Michigan Üniversitesi'nden hastalık geni avcısı Francis Collins geçti. Bu arada İngiltere'de Wellcome Trust (dünyanın en büyük tıbbi araştırma hayır kurumlarından biri), Cambridge yakınlarında Sanger Centre (DNA dizilemesini icat eden Fred Sanger'den sonra) adında özel olarak inşa edilmiş bir dizileme fabrikası kurdu. Bu merkez, C. elegans adlı nematod solucanının genetiği konusunda uzman olan John Sulston tarafından yönetilecekti. Bu, ancak işin yaklaşık üçte birini yapmakla sonuçlandı. Bir de Cambridge, Massachusetts'teki Whitehead Enstitüsü/MIT Genom Araştırmaları Merkezi'nin başkanı Eric Lander'in Amerika'nın en büyük dizileme laboratuarına dönüştürmeyi başardığı müthiş varlığı vardı.

Hiçbir savaş planı düşman temasından sağ çıkamaz

HGP'nin başlangıcında liderleri projenin tamamlanmasının 15 yıl süreceğini düşünüyordu. Ancak projenin başındaki yıkıcı yenilikçi kişi olacak olan Craig Venter'in çabaları olmadan bu süreyi hesaplayamadılar.

Dr. Venter ilk olarak 1995 yılında, yaşayan bir organizmanın (Haemophilus influenzae adlı bir bakteri) ilk tam DNA dizilimini üretmek için tüm genom av tüfeği dizilimi adı verilen yeni bir teknik kullanarak tahtayı altüst etti. Ardından 1998 yılında, geliştirilmiş bir dizileme makinesini piyasaya sürmek üzere olan bir bilimsel alet şirketi olan Perkin-Elmer'den aldığı parayla, Celera adlı bir firma şeklinde rakip, özel bir insan genomu projesi kurdu. Plana göre bu girişimin geliri, keşfettiği ve ticari potansiyeli olduğu düşünülen genlerin patentini almaktan gelecekti.

Adından da anlaşılacağı gibi, tüm genom atışları, tüm genomları dizilenebilir parçalara ayırır. HGP konsorsiyumu tarafından şimdiye kadar kullanılan geleneksel dizileme yöntemlerinden daha hızlı sonuçlar üretti. H. influenzae olayı resmi projeyi yürütenler için yeterince kötüydü. Dr. Venter'in bunu 1.700 kat daha büyük bir genomla tekrarlaması daha da utanç verici olurdu. Ancak insanları özellikle dehşete düşüren şey patent almaktı.

Bu yöndeki ilk girişiminden sonra NIH artık tutumunu değiştirmişti. Resmi proje, keşiflerini doğrudan kamu malı haline getirerek onları patentlenemez hale getiriyordu. Dr. Watson bir röportajında Celera'nın yaklaşımına atıfta bulunarak "Bir maymunun yapabileceği bir şeyin patentini almamalısınız" demişti. Sulston da aynı derecede eleştireldi. "Bence" dedi, "temel bilgilerimiz, 'yazılımımız' [genomu kastediyor], herkesin oynaması, rekabet etmesi, ürün yapmaya çalışması için özgür ve açık olmalıdır... Craig ahlaki olarak yanlış yaptı."

Artık eldivenler çıkarılmıştı. Dr. Lander'in vesayeti altında (çünkü artık projenin kendi kendini tayin eden baş karar vericisi olmuştu) kamusal çaba, gerçek anlamda büyük bir bilim haline gelecek şekilde yeniden düzenlendi; endüstriyel bir çaba, kendisinin ve Sulston'unki de dahil olmak üzere, hızla ölçek büyütme kapasitesine sahip sadece beş laboratuvara odaklandı. Yeni hedef tarihler belirlendi: 2001 yılına kadar bir "çalışma taslağı" üretmek ve diziyi 2003 yılında tamamlamak. Bu arada Celera, NIH'nin Bethesda'daki merkezinden birkaç kilometre uzaklıktaki Rockville, Maryland'de Perkin-Elmer'in yeni makineleriyle dolu kendi genom dizileme fabrikasını kurdu.

Sonunda ateşkes ilan edildi. Projenin DoE tarafının başkanı Ari Patrinos'un aracılık ettiği bir anlaşmayla Dr Collins ve Dr Venter 26 Haziran 2000'de Beyaz Saray'da Bill Clinton'ın iyi niyetli bakışları altında el sıkıştılar ve yarışın başa baş gittiği ilan edildi. Her iki taraf da çalışma taslağını tamamlamıştı. İngiltere'de dönemin başbakanı Tony Blair, Downing Street 10 numarada Sulston ve Sanger'i benzer şekilde onurlandırdı. Şampanyalar patlatıldı ve herkes kutlama yaptı.

Hafızamdan silinmiyor

Yine de bir şeyi bitirmeyi sadece bir kez kutlayabilirsiniz. Dolayısıyla, 14 Nisan 2003'te -Dr. Lander'in buyurduğu gibi ve orijinal programdan iki yıl önce- konsorsiyum projenin gerçekten tamamlandığını ilan ettiğinde, kimse bunun farkına varmadı. Aslında, o zaman bile öyle değildi. Bu duyuru, genomun %99'unu kapsayan ve %99,99 oranında doğru olan bitmiş bir dizilime aitti. Ancak %99'luk oran yalnızca kromozomların ökromatik kısımlarına, yani genlerin bulunduğu kısımlara uygulanıyordu. Kromozomun her iki ucunu kaplayan telomerler ve iki kolunu birbirine bağlayan sentromer gibi tekrarlayan ve dolayısıyla dizilimi zor DNA'larla dolu olan diğer kısımlar göz ardı edildi.

Yine de bu parçalar önemlidir. Telomerler bir hücre her bölündüğünde küçülür, olası bölünme sayısını sınırlar ve böylece yaşlanmaya katkıda bulunur. Sentromerler ise hücre bölünmesinden önce gelen kromozomal replikasyonun başladığı yerlerdir. Fakat genomun bu kalan %8'lik kısmı, Telomerden Telomere (T2T) konsorsiyumu adı verilen bir grup tarafından ancak geçen yıl Mart ayında tamamen çözülebildi. Bu hadise bile gerçek bir son değildi. Erkeklere özgü ve aynı zamanda tekrarlayan DNA'larla dolu olan Y kromozomunun tamamlandığı T2T tarafından ancak Aralık ayında duyuruldu.

Böylelikle, proje artık gerçekten sona erdi.  Kaptanlar ve krallar uzun zaman önce ayrıldılar. Dr. Watson ve Dr. Lander'ın ikisi de köpek kulübesinde. İlki 2007'de ve yine 2019'da genetik, zeka ve siyahlar hakkında kamuoyuna dehşet verici açıklamalarda bulundu ve bunun sonucunda neredeyse dışlandı. İkincisinin, Dr. Venter'in meydan okuması karşısında projeyi yeniden rayına oturtmak için çok şey yapan sağlam yönetim yaklaşımı, zamana uymuyor. Başkan Joe Biden'ın bilim danışmanı olarak görev yaptığı kısa süre zarfında personele zorbalık yaptığı suçlamalarına yol açtı ve bunun için kamuoyundan özür diledi.

Dr Collins, Bray Papazı'nın hayran kalacağı bir beceriyle, Amerika'nın baş genetikçisi olarak iki yönetim değişikliğini atlatmakla kalmadı, daha sonra 2009'da NIH'nin başına getirildi ve burada da aynı yönetim atlama numarasını yaparak Aralık 2021'de emekli oldu. John Sulston 2018 yılında öldü. Dr. Venter, geçen yıl San Diego'daki California Üniversitesi'ne devrettiği La Jolla, California'daki evinde kar amacı gütmeyen bir araştırma enstitüsü ve Dr. Patrinos'un da katıldığı Synthetic Genomics (şimdi Viridos) adlı biyoyakıtlar üzerinde çalışan ticari bir şirket kurdu.

Olağanüstü bir başarı olmasına rağmen, İnsan Genomu Projesi için henüz kimse Nobel ödülü kazanmadı. Belki de kimse alamayacak. Sonuçta Dr. Watson yarı yarıya haklıydı. Dizilimin elde edilmesi, bir maymunun yapabileceği bir şey olmasa da, teknoloji mükemmelleştirildikten sonra, esas olarak sap çevirmekti. Ancak bu dizilimle ne yapacağınız başka bir konudur.

Gerçekliğin transkriptleri

Genomun katıksız karmaşıklığı bir keşif olmuştur. Kariyerinin bir aşamasında, NIH'de çalışırken, kamu projesinin gadfly'ı olmak için ayrılmadan önce, Dr Venter, ifade edilen dizi etiketleme adı verilen bir teknik kullanarak girişimi kısa devre yapmaya çalışmıştı. Bu teknik, genleri karakterize etmek ve kromozomlar üzerinde yerlerini belirlemek için RNA mesajcılarının parçalarının DNA kopyalarını kullanır (çünkü DNA daha kararlı bir moleküldür). Eski genler ve çöpler modelinde, bu yol izlenerek genlerin çoğu bulunabilirdi (çünkü sadece genler ilk etapta bir hücrede RNA'ya kopyalanırdı). O zamanki görüşüne göre önemsiz şeyler muhtemelen göz ardı edilebilirdi.

Bunun erken bir örneği olduğu "transkriptomlar" oluşturmak gerçekten de yararlı bir araç haline geldi. RNA habercilerinin üretilme şekli, basitçe bir DNA parçasını kopyalamaktan daha karmaşıktır. Genlerin kendileri, habercide son bulan ekson adı verilen dizileri ve intron adı verilen diğer dizileri içerir. (Bunlar kopyalanır, ancak daha sonra ekleme sürecinde düzenlenir.) Ayrıca, bazen aynı DNA parçasından farklı ekzon kombinasyonlarına sahip farklı mesajcılar ortaya çıkar.

Hücrelerin nasıl çalıştığına dair daha önce var olandan çok daha iyi bir anlayış sağlayan bu gibi inceliklerin keşfi, genetiğin ayrı bir disiplin olduğu fikrini aşındırmış ve onu moleküler biyolojinin bir dalına dönüştürmüştür. Şu anda uygulamalı biyolojinin en heyecan verici bölümlerinden biri, hem tıbbi hem de tarımsal kullanımları olan gen düzenleme alanıdır. Bakterilerin genetik materyallerini tanıyarak viral davetsiz misafirleri parçalamak için kullandıkları moleküler yapıların değiştirilmiş versiyonlarına dayanır. Bunları hedef organizmalardaki DNA parçalarını çıkarmak ve değiştirmek için kullanır. Genetik mi? Moleküler biyoloji mi? Yoksa ayrım yok mu?

Genetiği moleküler düzeyde anlamak, hastalıkların anlaşılmasına ve tedavisine de yardımcı olur. Bu durum özellikle genomun hücre büyümesi ve bölünmesini düzenleyen kısımlarındaki mutasyonların neden olduğu kanser için geçerlidir. Mendel hastalığı olarak bilinen ve tek bir hatalı genin semptomların nedeni olduğu hastalıklar için de geçerlidir. Bunlardan çok daha geniş sonuçları vardır.

Biyobankaların yükselişi - insanların tıbbi geçmişleri ve genomlarıyla birlikte yaşamlarının diğer ilgili yönleri hakkında bilgi arşivleyen kitlesel veri depoları - genlerin sağlık üzerindeki daha ince etkilerini ve özellikle genlerin ve çevrenin hastalık yaratmak için nasıl etkileşime girdiğini ortaya çıkarmaya başlıyor. Genetik ve moleküler biyoloji arasındaki her türlü ayrım artık bulanıklaştığı gibi, genetik ve genetik olmayan hastalıklar arasındaki ayrım da bulanıklaşacaktır.

Tüm bunlar, dizileme işleminin kendisinin sürekli iyileştirilmesi ve ucuzlatılmasıyla mümkün olmaktadır. Oxford Nanopore Technologies adlı bir firmanın en yeni makineleri, DNA iplikçiklerini parçalara ayırmaya bile gerek duymuyor. Bunun yerine, bütün bir ipliği sadece nanometre çapındaki bir moleküler gözenekten geçiriyor, iplik geçerken bazları okuyor ve dakikalar içinde bir sonuç veriyor.

Sonsuzluğa ve ötesine

Biyolojinin hiçbir bölümü genom projesinin sonuçlarından etkilenmemiştir. Ekoloji ve hayvan davranışları gibi çamurlu disiplinler bile bundan faydalanıyor. Bir bölgede hangi türlerin bulunduğunu keşfetmek ve bazen tek tek hayvanları saymak için dizilemeyi kullanabilirler. Dizileme aynı zamanda karada ve denizde şimdiye kadar sadece tahmin edilen mikroorganizma çeşitliliğini de ortaya çıkarmıştır, çünkü bu tür mikropların çoğu laboratuvarlarda yetiştirilememektedir.

Bir şey daha var. Uluslararası İnsan Genomu Dizileme Konsorsiyumu'nun öncülük ettiği çok merkezli işbirliği modeli artık biyoloji yapmanın standart bir yoludur. Konsorsiyumun başladığı çeşitlilik ile Dr. Lander'in sonunda dayattığı merkezileştirici ölçek ekonomisi yaklaşımı arasında hala bir gerilim var. Ancak, genom projesine paralel olarak gelişen e-posta ve world wide web'in ve daha sonra sosyal medyanın getirdiği iletişimdeki büyük gelişme sayesinde, 1.483 katılımcı kuruluşun yer aldığı İnsan Hücre Atlası gibi devasa işbirlikleri artık mümkün.

Peki ya dezavantajları? 1990'larda insanları endişelendiren şeylerden biri, bireylerin DNA'sıyla ortaya çıkan sağlık riskleri hakkındaki bilgilerin işverenler ya da sigorta şirketleri tarafından kötüye kullanılabileceğiydi. Böyle bir şey olmadı. Aksine, bazı yerlerde sigorta şirketlerinin en bariz genetik ayrım olan erkek ve kadın arasındaki ayrımcılığa dayalı ayrımcılık yapmasını yasaklayan yasalarla işler tam tersi yönde ilerledi.

Bir başka korku da genetik bilginin sadece ekinlerin ve hayvanların değil, insanların da geliştirilmesine yol açabileceğiydi. Ancak 2018'de Çin'de birisi bunu gerçekten denediğinde ortalık karıştı. Dünya onu kınadı ve hükümeti tarafından hapsedildi.

Üçüncü bir endişe de, malum nedenlerle bir grup zengin ülkede yürütülen bir projenin dünyanın daha yoksul bölgelerine fayda sağlamayacağıydı. Başlangıçta insan genomlarının çoğunun zengin dünyada toplandığı gerçekten de doğruydu. Ancak bu durum değişiyor. Örneğin 2021 yılında, Üç Milyon Afrika Genomu projesi, dizilenen tüm genomların %2'sinden azının Afrikalı olduğu gerçeğini düzeltmek için kuruldu - Afrikalılar insanlığın %17'sini oluşturmasına rağmen. Böylece, cevapları dünyanın geri kalanından çok Afrika'yı ilgilendiren sorular sorulması umulmaktadır.

1990'larda genomik topu yuvarlayan kavgacı, egoist beyaz adamlar böylece insanlığın hem dünya hem de kendisi hakkındaki anlayışını değiştiren bir şey yarattılar - hatta Afrikalı olmayan birçok insanın aslında Homo sapiens ile Asya ve Avrupa'da yaşayan diğer insan türleri arasındaki melezleşmelerden türediğini gösterme noktasına kadar.

Dolayısıyla genomik, periyodik tablonun kimya için oluşturduğu gibi biyoloji için bir çerçeve oluşturmaya başlamıştır. Her şeye dokunuyor. Bununla birlikte, 1980'lerin biyoloji kâhinlerinin konularına ilişkin tutkuları, hayal bile edemeyecekleri bir şekilde gerçekleşiyor.

Kaynak Metin: https://finance.yahoo.com/news/human-genome-project-revolutionised-biology-144451915.html