CRISPR ile Neandertal Beynine Benzer Mini-Beyinler Geliştirildi

Fotoğraf: Neandertallerin beyinleriyle ilgili yapılan çoğu araştırma, fosilin kafatası boyutuna ve şekline bakılarak yapılmaktadır. Fotoğraf hakkı: Doğa Tarihi Müzesi, Londra / Bilim Fotoğraf Kütüphanesi

Araştırmacılar, nesli tükenmiş iki tür olan, Neandertal ve Denisova’da bulunan bir gen varyantını kullanarak küçük, beyin benzeri ‘organoidler’ oluşturdular. İnsan kök hücre çalışmalarında kullanılan genetik mühendisliği yöntemleri ile geliştirilen bu dokular, türlerin beyinlerini gerçek anlamda temsil etmemektedir.  Geliştirile bu hücreler; hücre boyutu, biçimi ve doku yapısı da dahil olmak üzere insan organoidlerinden çokça farklılık taşımaktadırlar.  Araştırmacılar 11 Şubat’ta Science’ da yayımladıkları bulgularında bu çalışmanın insan beyninin evrimleşmesinde rol alan genetik yolların anlaşılması için yardımcı olabileceğini söylemektedirler.

İsviçre’deki Basel Üniversitesi’nde bir gelişim biyoloğu olan Gray Camp geçen yıl Neandertaller ve insanlarda ortak olan bir geni içeren beyin organoidinin geliştirildiğini çalışmayı duymuş ve çalışmayla ilgili olarak “Bazı olağanüstü iddiaları barındıran olağanüstü bir çalışma” demişti. Çalışma son basamağında, insanların evrimsel süreçte kaybettiği gen varyantlarına bakarak araştırmayı bir ileri adıma taşıyor. Ancak Camp, sonuçların etkileri konusunda şüphelerinin olduğunu ve çalışmanın araştırılması gereken daha fazla soruyu gün ışığına çıkaracağını söylüyor.

Bilim insanları insanların, Neandertaller ve Denisovalılarla yaşayan ya da yaşamış herhangi bir primattan daha yakın bir akraba ilişkisine sahip olduğunu ve Neandertal genomunun yaklaşık % 40’ının günümüzde yaşayan insanlarda bulunabileceğine dikkat çekmekte. Ancak araştırmacıların, bu eski türlerin beyinlerini incelemek için sahip oldukları teknoloji sınırlı; geliştirilen bu yumuşak doku iyi korunmamış fosillerden alınmakla birlikte, geçmiş çalışmalarda kullanılan fosilleşmiş kafataslarının boyut ve şeklini incelemeye dayalı bir teknoloji kullanılmaktadır. Bu ilkel türlerin genlerinin insanlardan farklı olarak ne gibi değişlikler taşıdığını öğrenebilmek çok önemli çünkü araştırmacılar insanları neyin benzersiz kıldığını anlamak istiyor ve tüm bu çalışmalar bu konuda bizlere yardımcı olabilir özellikle beyinlerimizdeki farklılıkları anlayabilmemiz için.

Kaliforniya Üniversitesi, San Diego’da bir sinirbilimci olan Alysson Muotri liderliğindeki araştırmacılar, CRISPR-Cas9 genom düzenleme tekniğini kullanılarak Neandertal ve Denisovan’da bulunan NOVA1 adlı genden insan pluripotent kök hücrelerine benzer bir hücre formunu oluşturdu(pluripotent kök hücreleri;herhangi bir hücre tipine dönüşebilme kabiliyetindedir). Araştırmacılar geliştirilen hücreleri normal insan beyin organoidleri ile karşılaştırmanın yanı sıra, beyin benzeri doku kümeleri oluşturmak için 5 milimetreye kadar kültürlediler.

Çalışmanın erken safhalarında NOVA1’in arkaik(eski) varyantını ifade eden organoidlerin farklı olduğu hemen anlaşıldı. Muotri, “Organoidlerin şeklini görür görmez, bir şeyin farklı olduğunu hemen anladık” diyor. İnsan beyni organoidleri tipik olarak pürüzsüz ve küreseldir, oysa bu eski türe ait genlerden türetilen organoidler pürüzlü, karmaşık yüzeylere sahip ve daha küçüktür. Araştırmacılar, bunun muhtemelen hücrelerin nasıl büyüdüğüne ve çoğaldığına ilişkin farklılıklardan kaynaklandığını düşünüyor.

Genom Karşılaştırması

Araştırmacılar, organoidlerde hangi arkaik(eski) genin ifade edileceğini belirlemek için, insan genom kütüphanesinde ki veriler ile iki Neandertal ve bir Denisovan’ın tüm genom dizilerini karşılaştırdılar. İnsan genomu ve eski türlerdeki genomlarda sürekli olarak farklı olduğu düşünülen 61 gen bulundu. Bunlardan birisi NOVA1’di. NOVA1 beynin sinapslarını, sinir bağlantılarını oluşturmada rol oynayan ve aktivitesinde ki küçük bir değişiklik nörolojik bozukluklarla ilişkili bir gendir.

İnsan NOVA1 geni arkaik(eski) varyanttan tek bir baz ile farklıdır (ancak bu arkaik varyant diğer canlı primatlarda hala mevcut) araştırmacılar bu farkı CRISPR-Cas9 metodu kullanarak ürettikleri kök hücreler sayesinde buldu. Bu ufacık fark, arkaik NOVA1 organoidlerinde üretilen proteinindeki tek bir amino asidi değiştirmektedir. Muotri “Artık tüm insanların bu eski versiyon yerine bu yeni versiyona sahip olması, bize evrimin belirli noktalarında muazzam bir avantaja sahip olduğumuzu göstermekte. Öyleyse şu anda sormamız gereken asıl soru, bize kazandırdığı avantajlar neler? ” Diyor.

Ortaya çıkan organoidler arasındaki farklar moleküler seviyede de devam etti. Ekip, antik gen ve insan organoidleri arasında farklı aktivitelere sahip 277 gen daha buldu. Bu genlerden bazılarının nöronal gelişimi ve bağlanabilirliği etkilediği bilinmekte. Sonuç olarak, arkaik organoidler farklı seviyelerde sinaps proteinleri içermekte ve nöronları, kontrol grubunun(günümüz insanı) dokularındakilere göre daha az düzenli bir nöronal ateşlemeye sahip olduğu keşfedildi. Hatta bu hücrelerin daha hızlı olgunlaştıklarına dair kanıtlar da var.

Büyük Fark 

Almanya’daki Münih Ludwig Maximilian Üniversitesi’nden evrimsel genetikçi Wolfgang Enard, “En önemli bulgu; mevcut (günümüzdeki) geni, atalardan kalma haline geri dönüştürmeniz ve organoid de ki değişiklikleri, etkileri görmenizdir.” Diyor. Böylesine küçük bir genetik farklılığın bu kadar bariz değişikliklere neden olması şaşırtıcı, ancak organoidlerin tuhaf görünümlerinin bize Neandertallerin beyinlerinin işleyişi hakkında çok şey anlattığına şüpheyle yaklaşılıyor.

Camp ayrıca, bu eski genden üretilen organoidlerin gerçek Neandertal dokusunu tam olarak temsil etme ihtimalinin düşük olduğuna da dikkat çekiyor. Bunun yerine, gözlemlenen özellikler, zamanla üst üste yığılmış birçok mutasyonun bileşik etkileri nedeniyle insanlarda bulunan önemli bir proteinin değişmesinin sonucu da olabilir. Camp “Jenga gibi o amino asidi çıkarırsın ve beyin çalışmaz.”Diyor.

Nashville, Tennessee’deki Vanderbilt Üniversitesi’nden evrimsel sinirbilimci Suzana Herculano-Houzel, yine de düzenlenmiş organoid yaklaşımının primatlar arasında ki beyin evrimini incelemek için yararlı olabileceğini düşünüyor. Muotri’nin ekibi, insan beynine içgörü sağlayabilecek diğer geri döndürülmüş genleri içerecek şekilde düzenlenmiş organoidler geliştirmeyi planlıyor. Araştırmacılar, insanları günümüzdeki durumumuza getiren evrimsel yolu anlayabilirlerse, insan beynine özgü hastalıkları daha iyi anlayabileceklerini düşünmekte.

Kaynak : nature.com