Hücrelerin Sırrı Çözülüyor: DNA’nın Gizli 3D Mimarisi Keşfedildi
Hücreler bölünürken bile, genom sessizce yapısını ve hafızasını korur.
Bir hücre ikiye bölünmeden önce, her yavru hücrenin eksiksiz bir genetik talimat seti alabilmesi için öncelikle tüm kromozomlarını kopyalaması gerekir. Uzun zamandır bilim insanları, bu süreç sırasında genomun karakteristik üç boyutlu organizasyonunu geçici olarak kaybettiğine inanıyordu.
Bölünme tamamlandıktan sonra, araştırmacılar DNA’nın, hücre içinde hangi genlerin aktif olduğunu belirlemek için kritik olan yuvarlak, katlanmış yapıyı yavaşça yeniden oluşturduğunu düşünüyordu.
MIT’den yeni bulgular, bu uzun süredir devam eden görüşün eksik olduğunu gösteriyor. Çok daha ayrıntılı bir genom haritalama yaklaşımı uygulayarak, araştırmacılar, genleri düzenleyici unsurlarıyla bağlayan küçük üç boyutlu döngülerin, hücreler mitoz sırasında bölünürken bile yerinde kaldığını keşfetti.
“Bu çalışma, mitozu nasıl düşünmemiz gerektiği konusunda gerçekten netlik sağlıyor. Geçmişte mitoz, transkripsiyonun olmadığı ve gen aktivitesiyle ilgili hiçbir yapının bulunmadığı boş bir sayfa olarak düşünülüyordu. Ve artık bunun tam olarak böyle olmadığını biliyoruz,” diyor MIT’de biyolojik mühendislik alanında doçent olan Anders Sejr Hansen. “Gördüğümüz şey, her zaman bir yapının var olduğudur. Asla yok olmaz.”
Kromozom Sıkışması Sırasında DNA Döngüleri Güçleniyor
Ekip ayrıca, kromozomlar bölünmeye hazırlanırken sıkılaştıkça bu düzenleyici döngülerin daha belirgin hale geldiğini buldu. DNA daha yoğun bir şekilde paketlendikçe, düzenleyici elemanlar birbirine daha yakın itilir ve bağlanmaları kolaylaşır. Araştırmacılara göre, bu süreç hücrelerin önemli gen etkileşimlerini bir bölünme döngüsünden diğerine taşımasına olanak sağlayabilir.
Çalışmanın baş yazarı Viraat Goel (PhD ’25), “Bulgular, genomun yapısını, genlerin nasıl açılıp kapatıldığını yönetmedeki işleviyle ilişkilendirmeye yardımcı oluyor; bu da on yıllardır alanda önemli bir zorluk olmuştur” diyor.
MIT deneyleri, genomun 3 boyutlu yapısı içinde sarı renkte gösterilen “mikro bölmelerin” varlığını ortaya çıkardı. Bu bölmeler, gen düzenlemesinde rol oynayabilecek küçük ilmekler tarafından oluşturulmaktadır. (Kaynak: Edward Banigan)
Bilim İnsanları Genomu Üç Boyutta Nasıl Haritalandırıyor?
Son yirmi yılda araştırmacılar, hücre çekirdeğinin içindeki DNA’nın doğal olarak üç boyutlu ilmeklerden oluşan bir ağa katlandığını öğrendiler. Bu ilmeklerden bazıları, genlerin milyonlarca baz çiftiyle ayrılabilen uzak düzenleyici bölgelerle etkileşime girmesine olanak sağlarken, diğerleri hücre bölünmesi sırasında kromozomları sıkıştırmaya yardımcı olur.
Bu çalışmaların çoğu, MIT araştırmacılarını da içeren ve Massachusetts Üniversitesi Chan Tıp Fakültesi’nden Job Dekker liderliğindeki bir ekip tarafından geliştirilen Hi-C adı verilen bir yönteme dayanmaktadır. Hi-C, DNA’yı birçok parçaya ayırmayı, çekirdeğin içindeki üç boyutlu uzayda birbirine yakın duran parçaları kimyasal olarak bağlamayı ve ardından etkileşimli bölgeleri belirlemek için bu parçaları sıralamayı içerir.
Hi-C kullanışlı olsa da, genler ve güçlendiriciler gibi düzenleyici unsurlar arasındaki birçok hassas etkileşimi tespit etmek için gereken çözünürlüğe sahip değildir. Güçlendiriciler, bir genin promotörüne (transkripsiyonun başladığı yer) bağlanarak gen transkripsiyonunu aktive eden kısa DNA parçalarıdır.
Daha Keskin Bir Araç Gizli Genom Yapılarını Ortaya Çıkarıyor
2023 yılında Hansen ve meslektaşları, genom mimarisini çok daha yüksek çözünürlükte inceleyebilen yeni bir yöntem tanıttılar. Bölge Yakalama Mikro-C (RC-MC) olarak adlandırılan bu teknik, DNA’yı eşit boyutlu parçalara ayırmak için farklı bir enzim kullanıyor ve genomun belirli bölgelerine odaklanarak son derece ayrıntılı üç boyutlu haritalama sağlıyor.
Araştırmacılar, RC-MC ile daha önce görülmemiş bir genom organizasyon türü olan “mikro bölmeler”i belirlediler. Bunlar, yakındaki güçlendiriciler ve promotörler birbirine bağlandığında oluşan küçük, sıkıca bağlı halkalardır.
Daha önceki deneyler, mikro bölmelerin daha büyük genom yapılarını oluşturan süreçlerle aynı şekilde ortaya çıkmadığını göstermişti, ancak nasıl oluştukları belirsizliğini koruyordu. Daha fazla araştırmak için araştırmacılar dikkatlerini bölünme geçiren hücrelere çevirdiler. Mitoz sırasında kromozomlar, kopyalanabilmeleri, organize edilebilmeleri ve iki yavru hücre arasında eşit olarak dağıtılabilmeleri için son derece kompakt hale gelirler. Bu gerçekleştiğinde, A/B bölmeleri ve topolojik olarak ilişkili alanlar (TAD’ler) gibi daha büyük genom özellikleri kaybolur.
Mitoz Sırasında Beklenmedik Kalıcılık
Ekip başlangıçta mikro bölmelerin de mitoz sırasında kaybolacağını varsaymıştı. Hücreleri tüm bölünme süreci boyunca takip ederek, bu yapıların bölünme sona erdikten sonra nasıl yeniden ortaya çıktığını gözlemlemeyi amaçladılar.
Hansen, “Mitoz sırasında neredeyse tüm gen transkripsiyonunun kapatıldığı düşünülüyordu. Ve makalemizden önce, gen düzenlemesiyle ilgili tüm 3 boyutlu yapının kaybolduğu ve sıkıştırma ile değiştirildiği de düşünülüyordu. Her hücre döngüsünde tam bir sıfırlama oluyor,” diyor.
Bunun yerine, araştırmacılar mikro bölmelerin mitoz boyunca görünür kaldığını ve bölünme ilerledikçe aslında daha da güçlendiğini görünce şaşırdılar.
Hansen, “Bu çalışmaya, kesin olarak bildiğimiz tek şeyin mitozda düzenleyici bir yapı olmadığı düşüncesiyle girdik ve sonra tesadüfen mitozda yapı bulduk,” diyor.
RC-MC verileri ayrıca, A/B bölmeleri ve TAD’ler gibi daha büyük özelliklerin mitoz sırasında hala kaybolduğunu doğrulayan önceki bulguları da teyit etti.
Araştırmaya katılmayan Weill Cornell Tıp Fakültesi’nde moleküler biyoloji doçenti olan Effie Apostolou, “Bu çalışma, RC-MC analizinin eşi benzeri görülmemiş genomik çözünürlüğünden yararlanarak, geçmişte geleneksel 3C tabanlı analizler kullanarak gözden kaçırdığımız mitotik kromatin organizasyonunun yeni ve şaşırtıcı yönlerini ortaya koyuyor. Yazarlar, mitoz sırasında TAD’lerin ve bölmelenmenin dramatik kaybının aksine, ince ölçekli “mikro bölmelerin” – aktif düzenleyici elementler arasındaki iç içe geçmiş etkileşimlerin – korunduğunu veya hatta geçici olarak güçlendirildiğini ortaya koyuyor.” diyor.
Gen Aktivitesi Bölünme Sırasında Neden Kısa Süreliğine Artıyor?
Bulgular ayrıca, mitozun sonuna yakın uzun zamandır gözlemlenen bir gen aktivitesi patlamasını açıklamaya da yardımcı olabilir. 1960’lardan beri bilim insanları, hücre bölünmesi sırasında gen transkripsiyonunun tamamen durduğuna inanıyordu. 2016 ve 2017 yıllarında yayınlanan çalışmalar bu görüşe meydan okuyarak, transkripsiyonda kısa süreli bir artış olduğunu ve bu artışın bölünme tamamlanana kadar hızla bastırıldığını gösterdi.
MIT çalışmasında, mikrokompartmanlar sıklıkla bu kısa süreli aktivite artışını gösteren genlerin yakınında bulunuyordu. Araştırmacılar ayrıca, bu ilmeklerin mitoz sırasında kromozomlar sıkışırken oluştuğunu ve güçlendiricileri ve promotörleri birbirine bağlanacak kadar yakınlaştırdığını buldular.
Oluştuktan sonra, mikrokompartmanlar istemeden gen transkripsiyonunu tetikleyebilir. Hücre daha sonra bu aktiviteyi hızla durdurur. Bölünme sona erdikten ve hücre G1 evresine girdikten sonra, bu ilmeklerin çoğu zayıflar veya kaybolur.
Hansen, “Mitozdaki bu transkripsiyon artışı, mitoz sırasında mikrokompartmanların oluşması için benzersiz derecede elverişli bir ortam yaratmaktan kaynaklanan istenmeyen bir kaza gibi görünüyor,” diyor. “Daha sonra, hücre G1 evresine girdiğinde bu ilmeklerin çoğunu hızla budar ve filtreler.”
Hücre Şekli ve Genom Kontrolü Hakkında Yeni Sorular
Kromozom sıkışması, hücrenin boyutu ve şeklinden de etkilenebilir; bu da ekibin hücrelerdeki fiziksel değişikliklerin genom organizasyonunu ve gen düzenlemesini nasıl etkilediğini araştırmasına yol açtı.
Hansen, “Hücrelerin şekil ve boyut değiştirdiği bazı doğal biyolojik ortamları ve daha önce açıklaması bulunmayan bazı 3 boyutlu genom değişikliklerini açıklayabilir miyiz diye düşünüyoruz” diyor. “Bir diğer önemli soru ise, hücrenin G1 evresine girerken gen ifadesinin doğruluğunu sağlamak için hangi mikro bölmeleri koruyacağını ve hangi mikro bölmeleri çıkaracağını nasıl seçtiğidir?”
Kaynak: https://scitechdaily.com
Sahra Çölü’nde Bulunan Yedi Bin Yıllık Antik Mumyalar Modern İnsan DNA’sıyla Neden Eşleşmiyor?