İnsan DNA’sı tamamen çözüldü

Salk Enstitüsü* 

Vücudumuzdaki tüm hücrelerin DNA’sı uzatılsa Pluton’a kadar ulaşabilir. Her küçük hücre, çekirdeğinde iki metre uzunluğunda DNA barındırıyor.  Peki  bu dizilimin kalınlığı, şaşırtıcı biçimde, milimetrenin yalnızca binde biri kadar alanın içine sığabiliyor? Biyolojimizi nasıl etkilediğini anlamak yolunda kilit öneme sahip dizilim ve ürkütücü biyolojik bilmeceye verilen cevap, hücre çekirdeğindeki DNA’nın üç boyutlu organizasyonunu ve genomumuzun hücresel aktivitemizi nasıl düzenlediğinden, genlerin ebeveynlerden çocuklara nasıl geçtiğine kadar birçok meseleyi açığa çıkarıyor. San Diego’da bulunan Kaliforniya Üniversitesi ve Salk Enstitüsü’nden bilim insanları, canlı insan hücrelerinin çekirdeğinde bulunan DNA ve proteinlerin birleşimlerini oluşturan insan kromatininin 3 boyutlu yapısının benzeri görülmemiş bir görünümünü elde ettiler.

Science dergisinde yayınlanan çalışmada, Salk araştırmacıları, ChromEMT adlı birleşik bir teknolojiyle oluşturulan gelişmiş mikroskopi yoluyla, durağan ve mitotik (bölünme) aşamalardaki hücrelerde bulunan kromatin yapısının oldukça detaylı bir biçimde görüntülenmesini sağlayan yeni bir DNA boyası icat ettiler. Hareketli hücrelerdeki nükleer kromatin yapısını da ortaya çıkaran çalışma, ders kitaplarındaki DNA diziliminin modelini yeniden yazma konusunda bizlere yardımcı olabilir ve hatta hastalıklara yönelik tedavilerde çığır açıcı gelişmelere ön ayak olabilir nitelikte.

Howard Hughes Tıp Enstitüsü Fakültesi öğretim üyesi ve Salk Entitüsü’nde Doçent ve bir gazeteci olan Clodagh O'Shea, biyoloji bilimindeki en büyük sorunlardan birisi, DNA çekirdeğinin daha üst düzeydeki yapısını keşfetmek ve bunun genomdaki işleyişle olan bağlantısını çözebilmek, olduğunu söyleyerek  “Bu, stratejik bir önem taşıyor; çünkü, biyolojik açıdan genin hem işlevini hem de işleyişini belirleyen etken, DNA’nın yapısıdır” diyor.

1953 YILINDAN BERİ ARAŞTIRILIYORDU

Francis Crick ve James Watson DNA’nın birincil yapısını bir çift sarmal olarak ortaya çıkardığı 1953 yılından beri bilim insanları, DNA’nın tüm uzunluğunun bir hücre çekirdeğine sığması ve böylece hücrenin faaliyet döngüsü içerisinde kopyalama mekanizmasının farklı noktalarda ona erişebilmesi için DNA’nın nasıl daha da düzenli biçimde dizilmiş olduğu meselesini merak etmişlerdir. X ışınları ve mikroskoplar altındaki araştırmalar, birincil kromatin düzen seviyesinin, “nükleozomlar” adı verilen ve yaklaşık 11 nanometre (nm) parçacıklar oluşturmak üzere protein etrafında biriken 147 temel DNA’yı içerdiğini ortaya çıkardı. Bu nükleozom “ipe dizili boncuklar”ın, daha sonra bir kromozom oluşturana kadar büyüyen çaplara sahip (30, 120, 320 nm vb.) ayrık liflere dönüştüğü düşünülüyor. Ancak sorun şu ki, hiç kimse parçalanmayan ve DNA’sını zor işleyen hücrelerdeki bu ayrık ve farklı büyüklüklerdeki kromatinleri görmediğinden, bozulmamış hücrelerde bulunan kromatinin yüksek seviyedeki diziliminin ders kitaplarında gösterilen modeli henüz doğrulanabilmiş değil.

O'Shea’nın ekibi, bozulmamış bir çekirdekteki kromatini görselleştirme sorununu çözmek için, bazı boyaları taradı ve sonuç olarak, ışıkla tam olarak etkileşime giren, esasen “yüzeyi boyayarak” kimyasal tepkimelerin karmaşık yapısını sergileyebilecek bir boyayı bulmaya çalıştı. DNA metalle kaplanarak, yapısı ve 3 boyutlu polimer dizilimi canlı bir hücrede görüntülenebiliyor. Ekibin yazarlarından biri olan Profesör ve Mikroskopi Uzmanı Mark Ellisman, San Diego’daki Kaliforniya Üniversitesi’yle ortak yürüttüğü çalışmada, elektron mikroskopisinin gelişmiş bir formundan yararlanıp, örneklerin bir elektron demetinde bükülerek 3 boyutlu yapısının yeniden kayıt altına alınmasını sağladı.

YEPYENİ BİR TEKNİK GELİŞTİRİLDİ

O’Shea’nın ekibi, çalışmada, kromatin boyasını elektron mikroskop tomografisi “ChromEMT” ile birleştiren bir teknik kullandı. Ekip, insan genomunun en tanınmış görüntüsü olan ve 23 çiftten oluşan mitotik (bölünme aşamasındaki) kromozomun DNA’yı en yoğun forma sıkıştırdığı anda, durağan ve hücre bölünmesi aşamasındaki insan hücrelerinde bulunan kromatini görüntülemek ve ölçmek için ChromEMT yöntemini kullandı. Sürpriz bir şekilde, hiçbir aşamada ders kitaplarındaki modelin üst düzey yapılarını gözlemlemediler.

Salk’ta araştırma görevlisi ve bir bilim yazarı olan Horng Ou “Ders kitaplarındaki model, bir anlamda çizgi film canlandırmasıdır,” diyor. Çekirdekten çıkarılan ve in vitro (yapay ortamda) işleme tabi tutulan -test tüplerindeki- kromatin, sağlam bir hücrede bulunan kromatin gibi görünmeyebilir, bu nedenle bunu in vivo (doğal ortamında) iken görmek büyük önem taşıyor.”

O'Shea’nın araştırma ekibinin hem durağan hem de bölünme aşamasındaki hücrelerde gördüğü şey, “ipe dizili boncuklar”ın teorik hale getirilmiş 30, 120 veya 320 nanometre gibi daha üst seviyede bir yapı oluşturmayan kromatin adlı kısımdı. Bu yapının yerine, yarı-esnek bir zincir oluşturdular; bu zincir, 5 ila 24 nanometre arasındaki yapısı boyunca kesintisiz olarak ölçülmüş, farklı sıkıştırma düzeylerine ulaşmak için eğilip bükülmüştü. Bu yaklaşım, genomun hangi bölümlerinin aktif olduğunu ve hangilerinin bastırıldığını belirleyen etkenin, kromatinin yoğunluğu ve kimi yüksek seviyedeki yapılar olmadığını önermekte.

KANSER GİBİ HASTALIKLAR İÇİN CİDDİ BİR UMUT

Ekip, 3 boyutlu mikroskobu yeniden yapılandırarak, 250x1000x1000 nanometre hacimdeki kromatin bükülmelerini döndürmeyi başardı ve bir video oyununda vadi boyunca uçan bir uçak gibi, kromatinin değişken sıkıştırma yoğunluğu tarafından gen dizilimindeki belirli bir noktaya DNA'nın suretini çıkaran (kopyalayan) RNA polimeraz gibi büyük bir molekülün yönlendirilebildiğini gördü. Araştırma ekibi, DNA organizasyonuna ilişkin ders kitabı modelini potansiyel olarak desteklemenin yanı sıra, kromatin erişiminin kontrol edilmesi becerisinin kanser gibi hastalıkların saptanması, önlenmesi ve tedavisinde büyük fayda sağlayabileceğini düşünüyor.

O'Shea, “Kromatinin çekirdeğe sığması için ayrık durumdaki üst seviye yapılar oluşturulmasının zorunlu olmadığını saptadık,” diye ekliyor. “Değiştirebilen ve kromatin erişilebilirliğini kısıtlayan sıkıştırma yoğunluğu, kısıtlı ve genel yapısal temeli sağlayarak, DNA dizisindeki farklı birleşimleri, nükleozom çeşitlerini ve yeniden yapılandırmaları, gen dizilimlerinin işlevsel faaliyetlerini ve erişilebilirliğini detaylı biçimde ayarlamak amacıyla hücre çekirdeğine eklenebilir.”

Bir sonraki araştırma, kromatin yapısının hücre türleri arasında, hatta organizmalar arasında evrensel olup olmadığını incelemeyi amaçlıyor.

* Science Daily sitesinde yayınlanan makalenin materyalleri kanser, bağışıklık sistemi ve nöroloji konusunda araştırmalar ve çalışmalar yürütülen Salk Enstitüsü tarafından sağlanmıştır. Enstitü'nün fikir babası Jonas Salk ,1957 yılında ilk çocuk felci aşısını geliştirmiştir. 

Makalenin aslı Science Daily Magazine'de yayınlanmıştır. (Çeviren: Tarkan Tufan)