İnsan nasıl klonlanır?

Son zamanlarda gazete manşetlerinde ya da internet sitelerinde Dr. Panos Zavos bir insan bebeğini klonladığını iddia ederken, Güney Kore’deki bir araştırma ekibi de ürettikleri klonlarını dünyaya sundu. Peki bu iki hikaye arasındaki fark nedir?

Bu hikayelerin farklılıklarını anlamak için öncelikle hayatlarımızın ilk anlarına yolculuk yapacağız.

Her şeyden önce yumurta ve sperm hücrelerinin bir bebeği nasıl oluşturduğunu anlamalıyız. Klonlama işleminin anlaşılması için zigotun nasıl oluştuğunu anlamamız gerekiyor.

Yumurtalar gözle görülebilecek derecede büyük hücrelerdir ve erken gelişim için birçok biyolojik besin içerir (Şekil 1).

Yumurta hücresinde yarım set kromozom bulunur ve döllenme sırasında spermde bulunan yarım set kromozom ile birleşerek tam set bir kromozom oluştururlar. Döllenme anında sperm yumurtaya girer ve zigot oluşumu için ilk adım atılmış olur. Aşağıdaki resimdeki açıklamalar fare zigot oluşumu esnasında neler olduğunu anlatıyor ancak birçok olayın, biz insanlarla benzer olduğunu düşünüyoruz.

Sperm yumurtaya girdiği esnada kromozom yarım setlerinin ayrılmasına neden olacak şekilde yumurtada bölünme gerçekleşir. İstenmeyen kromozomlar dışarda tutulur ve polar gövde adı verilen bir hücre oluşturur. Kalan yumurta kromozomları, pronükleus denilen top gibi bir yapı halinde düzenlenir. Aynı zamanda, yumurtadaki proteinler sperm DNA’sını açmaya başlar ve başka bir pronükleus oluşturacak şekilde genişler (aşağıdaki şekil 1’e bakınız).

Tüm bunlar gerçekleşirken sperm DNA’sının başına garip şeyler gelir. Hücrenin, genlerini doğru kullanmasına yardımcı olan özel bir moleküler markör (işaret-etiket) olan metilasyondan arındırılmıştır.

Gelişimin ilk birkaç saatinde, sperm pronükleusunda, özellikle içindeki DNA paketleme proteinlerindeki değişiklikler gibi dinamik değişiklikler meydana gelir. Metilasyon ve paketleme proteinlerinde meydana gelen bu değişiklikler aslında “epigenetik modifikasyonlar” olarak adlandırılır, çünkü bunlar temelde DNA sekansını değiştirmeden DNA’yı etkiler.

Epigenetik işaretler önemlidir çünkü hücreye, hangi hücrelere dönüşeceğinin sinyalini verir. Bu çok önemlidir, çünkü tüm hücrelerimiz esas olarak aynı DNA’yı (ve dolayısıyla aynı genleri) içerir. Tüm hücre tiplerimize farklı özelliklerini veren farklı gen kullanım kalıplarıdır. Bazı epigenetik işaretler, bazılarının aktive edici etkisine sahipken, genler için susturma sinyalleri olarak işlev görür.

Örneğin, bir karaciğer hücresinde, karaciğer tipi genler aktive edici işaretlere sahipken, kas genleri susturma işaretlerine sahip olacaktır. Tersine, bir kas hücresinde, kasa özgü genler aktive edici etiketlere sahipken, karaciğer genleri susturulur.

Embriyo hala tek bir hücre iken birçok epigenetik değişiklik meydana gelir ve bunlar esas olarak sperm pronükleusunda meydana gelir. Bu moleküler yükselişler spermin yeniden programlanması için gereklidir, bu nedenle sonraki gelişim adımlarında doğru bir şekilde kullanılabilir. Ancak epigenetik maceralar, tek hücreli aşamada bitmiyor.

Yeni embriyo iki hücreye ayrılır, sonra dört, sonra sekiz ve yaklaşık yüz hücreli bir top olana kadar devam eder (bkz. Şekil 2). Bu faaliyet telaşı boyunca, DNA’dan daha fazla moleküler etiket çıkarılırken, diğer epigenetik modifikasyon modelleri oluşturulur. Sonunda, 4 ila 5 gün sonra, hücreler top şeklini almaya başlar.

Bir boşluk oluşur ve sıvı ile doldurulur, top neredeyse oyuk hale gelinceye ve bir futbol topu gibi görünene kadar hücreleri dışarı doğru iter. Buna “blastosist” diyoruz. Ancak blastosist pek çukur değildir, çünkü bir tarafa gizlemek, bir şekilde açıkça “iç hücre kütlesi” olarak adlandırılan küçük bir hücre kümesidir. Bunlar embriyonun kök hücreleridir. Bu aşamada, dış hücreler ve iç hücre kütlesi arasında belirgin epigenetik farklılıklar olduğu da açıktır.

Artık embriyonik blastosist dış hücreleri rahim iç duvarını istila etmeye başlar ve nihayetinde besin ve atıkların anne ile bebek arasında değiş tokuş edilmesini sağlayan büyük organ olan plasenta oluşur. Bu arada, kök hücrelerin küçük yığınları bölünmeye başlar ve epigenetik değişikliklere uğrar. Bu mütevazı hücrelerde şaşırtıcı bir gen aktivitesi programı başlar ve yeni bir yaşamın tüm bölümlerini organize etmelerini ve yaratmalarını sağlar.

Artık, klonlamanın bu doğal gelişim gündemine nasıl uyduğunu bulacağız.

Hayvan Klonlama Süreci

Şimdiye kadar memeli gelişiminin en erken aşamalarına, yumurta ve sperm ile oluşan  blastosiste baktık. Bu başlıkta klonlama hikayesine, sürecin teknik problemlerine ve sınırlamalarına dönüyoruz. 1997’de kopya koyun Dolly’yle birlikte klonlama küresel medya sahnesine patlamış olmasına rağmen, bu klonlama teknolojisi daha önceki on yıllardır zaten kullanılmaktadır. En temelde süreç, bir yumurta hücresini alarak kromozomlarını (DNA) başka bir hücredeki DNA ile değiştirmeyi ve ‘gelişim programını’ kimyasallarla veya elektrik darbesiyle başlatmayı içerir (şekil 1).

Bu işlem, Somatik Hücre Nükleer Transferi veya kısaca SCNT olarak bilinir. Hans Spemann ilk olarak 1938’de böyle bir “fantastik deney” önerdi ve 1952’de kurbağa yavruları embriyonik kurbağa hücrelerinden klonlandı. John Gurdon ilk kez 1962’de kurbağaları farklılaşmış (gelişmiş) hücrelerden başarıyla klonladı. Ardından fareleri, inekleri, tavşanları, domuzları, koyunları, kedileri, atları, zebra balıklarını ve maymunları sırayla kopyalamayı başardı.

Bununla birlikte, tüm klonlar aynı kolaylıkla yaratılmaz. Embriyonik hücreler nükleer donör olarak kullanılırsa, klonlama başarısı çok daha olasıdır. Bunlar, erken bir fetüsten alınan embriyonik hücreler veya blastosistin iç hücre kütlesindeki hücreler olabilir. Dolly’yi bu kadar özel yapan, bir yetişkenden alınan bir hücreyi kullanarak klonlanan ilk memeli olduğu gerçeğiydi ve o zaman bile yaklaşık üç yüz denemeden sonra doğan tek canlı hayvandı. O zamandan beri, diğer hayvanlar yetişkin hücrelerden klonlandı, ancak canlı doğum sağlama etkinliği hala oldukça düşüktü. Peki embriyonik ve yetişkin hücreler arasındaki büyük fark nedir? Anahtar epigenetik kavramında yatıyor.

Klonlama, yetişkin veya embriyonik bir hücrenin, gelişim başlangıcına kadar yeniden programlanmasını gerektirir. Yetişkin kök hücreleri, embriyonik kök hücrelere göre daha fazla farklılaşmış hücrelerdir. Örneğin bir embriyonik kök hücresi, her türlü hücre tipine farklılaşma potansiyeline sahipken, yetişkin bir karaciğer hücresi, yalnızca bir karaciğer hücresi olabilir. Bu yüzden embriyonik hücrelerin, klonlandıklarında birkaç kararı sadece “unutması” gerekir, oysa yetişkin bir hücre çok daha fazla seçenek içerdiğinden, esasen saat daha da geriye çekilmelidir.

Hücreler, DNA’larının epigenetik modifikasyonları nedeniyle ne tür olduklarını hatırlıyor. Bu yetenekleri, belirli genleri açık veya kapalı olarak işaretleyen moleküler markörler sayesinde oluşuyor. Bu markörler, yumurtadaki faktörleri yeniden programlayarak fertilizasyondan kısa bir süre sonra çıkan spermde bulunanlara çok benzer.

Yetişkin veya embriyonik bir hücrenin klonlama ile yeniden programlanması için (yumurtanın yeniden programlama ortamına maruz bırakılarak), DNA içindeki epigenetik işaretler çıkarılmalıdır. Yetişkin hücrelerin embriyonik hücrelerden daha fazla bu etiketlere sahip olduğuna inanılmaktadır, bu nedenle yumurtanın yeniden programlanması daha zordur.

Donör hücresi ister yetişkin ister embriyonik olsun, başarılı bir klon, bir hücreden bir blastosiste kadar gelişim sürecinin tamamını ve daha sonra tamamen yetişkin bir bebek olana kadar devam etmelidir. Ancak embriyolar, rahim dışına ancak bir tüp içerisinde blastosist aşamasına kadar büyütülebilir. Bundan sonra, embriyonun bir plasenta oluşturması ve anneden kaynak alması gerekir.

Araştırmacılar, hücrelerin küçük toplarını, daha fazla büyüyebilecekleri uygun bir taşıyıcı annenin rahmine aktarmalıdır. Aslında, IVF kliniklerinde yumurta ve sperm karıştırılarak oluşturulan embriyolar genellikle sadece iki ila sekiz hücreden oluştuğunda blastosist aşamasından önce transfer edilir.

Bu tür hayvanlarla yapılan deneyler, özellikle fare deneyleri gösterdi ki, blastosist aşamasına kadar klonlanmış embriyoların yetiştirilmesinde yüksek bir başarı oranı vardı.

İki kez normal sayıda kromozom içeren embriyolar bile bu noktada oldukça mutlu bir şekilde büyüyebilir, ancak bu kadar çok sayıda kromozomlu bir bebek asla doğmaz. Ancak, bu embriyolar taşıyıcı annelere aktarılırsa, bunların çok azı bebek üretir. Bunun nedeni, yumurtanın, gelişimin erken aşamalarında gerekli olan birçok bileşeni içermesi ve embriyo içindeki DNA ve kromozomlarla ilgili ciddi problemler olsa bile, bir blastosist oluşumunu yönlendirmesidir. Fakat bir blastosistten bir bebeği büyümek için, genlerin karmaşık kalıplarının açılması ve kapatılması gerekir. Bu, sadece donör çekirdeğin DNA’sının klonlama prosedürünün ilk aşamaları sırasında yumurta tarafından tam ve doğru olarak yeniden programlanması durumunda olabilir. Öyle görünüyor ki, bir klon yaratabilseniz bile, ve bu klon bir blastosist yapmış olsa bile, yine de bir bebekle sonuçlanamayacaksınız.

Blastosistler, fetus oluşturmaya devam etmese de son derece faydalıdır. Bunlar embriyonik kök hücrelerin veya kısaca ES hücrelerinin kaynağıdır.

ES hücreleri, iç hücre kütlesinin blastosistten çıkarılması ve bir kabın içinde büyütülmesi ile yapılır ( şekil 2 ). Bir süre sonra, neredeyse büyülü özelliklere sahip özel hücreler kolonisi ortaya çıkar. Bu hücreler vücudun herhangi bir dokusunu oluşturma kapasitesine sahiptir ve bunu elde etmek için çeşitli kimyasallarla tedavi edilebilir. Ayrıca yararlı hücre popülasyonları oluşturmak için kendilerini birçok kez çoğaltabilirler. Genetik mühendislik teknikleri ES hücrelerinde çok iyi çalışır, mutant genlerin onarılmasına ve yeni genlerin eklenmesine izin verir.

Alzheimer ve Parkinson gibi birçok hastalık için uygun bir tedavi olarak insan ES hücrelerine çok fazla ihtiyaç duyulmuştur. Bu gizemli hücrelerin biyolojisini tam olarak anlamaktan uzak olsak da, umuyoruz ki yeni çalışmalar sayesinde bu konuda bilgi sahibi olacağız.

‘Dolly’nin klonlandığı Roslin Enstitüsü | Klonlama için temel kılavuz