Bilim adamları, DNA organizasyonunun uzun süredir var olan biyolojik gizemini çözüyor.
Uzatıldığında, vücudumuzdaki tüm hücrelerin DNA’sı yaklaşık olarak buradan Plüton’a kadar uzanır. Her küçük hücre; çekirdeğine iki metrelik bir uzunlukta DNA yığabiliyor. Bu durum mm’nin yalnızca 1/1000’i kadarına mı tekabül ediyor?
DNA’mız hakkında biyolojik bilmece haline gelmiş bu tarz soruların cevabı; çekirdekteki DNA’nın üçboyutlu düzenlenişinin biyolojimizi nasıl etkilediğini, genomumuzun hücresel aktivitemizi nasıl düzenlediğini ve genlerin ebeveynlerden çocuklara nasıl geçtiğine kadar pek çok soruda gizlidir.
Salk Enstitüsü ve San Diego California Üniversitesi‘ndeki bilim adamları, ilk kez canlı insan hücrelerinin çekirdeğinde DNA ve proteinlerin kombinasyonu olan insan kromatininin* 3D yapısının görünümünü elde etti.
*Kromatin; hücrenin kalıtsal karakterlerinin ve yaşamsal özelliklerinin şifrelendiği yerdir.
27 Temmuz 2017’de Science’da yayınlanan bilgiye göre; Salk araştırmacıları, gelişmiş mikroskopi ile ChromEMT adı verilen kombine bir teknolojiyle eşleştirildiğinde, dinlenme ve mitotik (bölünme) aşamalardaki hücrelerin kromatin yapısının oldukça detaylı bir şekilde görselleştirilmesini sağlayan yeni bir DNA boya geliştirdi. Yaşayan hücrelerde nükleer kromatin yapısını ortaya koyan bu çalışma, tedavilere yaklaşımların yönünü değiştirebilir.
Salk Doçenti Clodagh O’Shea: “Biyoloji bilimindeki en zorlu sorunsaldan biri de; çekirdekte DNA’nın daha üst düzey yapısını ve bunun genomdaki işlevleriyle nasıl bağlantılı olduğunu keşfetmektir. Bu, DNA’nın biyolojik olarak ilgili yapısının hem genin işlevini hem de faaliyetini belirleyici olması anlamına gelir.”
Francis Crick ve James Watson DNA’nın birincil yapısını bir çift sarmal olarak belirlemelerinden bu yana bilim adamları; DNA’nın tüm uzunluğunun çekirdeğe nasıl sığdırıldığını ve böylece hücrenin kopyalama makinesinin farklı noktalarda ona erişebilmesi için DNA’nın nasıl organize edildiğini merak etmiştir.
X ışınları ve mikroskopi, birincil kromatin düzen seviyesinin, nükleozomlar olarak adlandırılan yaklaşık 11 nanometre (nm) parçacıklar oluşturmak üzere protein etrafında biriken 147 baz DNA’yı içerdiğini gösterdi. Bu nükleozom “ip üzerindeki boncuklar” daha sonra kromozom oluşturana kadar artan çapta (30, 120, 320 nm vb.) olacaktır. Ayrı liflere ayrılacağı da düşünülür.
Sorun şu ki, hiç kimse parçalanmayan ve DNA’sını zor işleyen hücrelerdeki ayrık büyüklüklerde kromatin görmediğinden, bozulmamış hücrelerdeki kromatin hiyerarşik yüksek düzen organizasyonunun, ders kitabı modelinde doğrulanmamış olmasıdır.
O’Shea’nın Ekibi, bozulmamış bir çekirdekte kromatin görselleştirme sorununu çözmek için, bir takım aday boyalar taradı. Sonuç olarak, ışıkla tam olarak manipüle edilebilen, “yüzeyini boyayacak” kimyasal reaksiyonların karmaşık bir serisine uğrayabilecek olan bir aday boyayı seçti. Böylelikle DNA’yı metalle kaplayarak, yerel yapısı ve 3D polimer organizasyonu canlı bir hücrede görüntülenebildi. Ekip, Profesör ve Mikroskopi Uzmanı Mark Ellisman’la ortak çalışarak; elektron mikroskopisinin gelişmiş bir formundan yararlanıp, örneklerin bir elektron demetinde eğilerek 3D yapısının yeniden yapılandırılmasını sağladı.
O’Shea’nın Ekibi, kromatin boyasını elektron mikroskop tomografisi ChromEMT ile birleştiren tekniği keşfetmiş oldu.
Ekip, dinlenmekte olan insan hücrelerindeki kromatin görüntüsü ve ölçümü için ChromEMT’i kullandı. Bu zamana kadar hiçbir yerde, DNA’nın üst düzey yapılarını görüntülemeye bu kadar yaklaşılmamıştı. DNA, en yoğun biçime sıkıştırıldığında hücre bölünmesi sırasında (mitoz), insan genomunun “ikonik” görüntüsü olan 23 çift mitotik kromozom görüntülendi.
Salk Araştırma Görevlisi Horng Ou “Ders kitabı modeli bir nedenden ötürü çizgi film illüstrasyonu gibidir. Çekirdekten çıkarılan ve in vitro (laboratuvar ortamında) test tüplerinde işlenmeye tabi tutulan kromatin sağlam bir hücrede kromatin gibi görünmeyebilir, bu nedenle bunu in vivo (canlı) olarak görmek son derece önemlidir.”
O’Shea’nın Ekibi’nin hem dinlenme hem de bölme hücrelerinde gördüğü; “ip üzerindeki boncuklar”ın teorikleştirilmiş boyutu 30, 120 veya 320 nanometre gibi daha üst düzey bir yapı oluşturmayan kromatindi. Bunun yerine, yarı esnek bir zincir oluşturdu; bu zincir, 5 ila 24 nanometre arasındaki uzunluğu boyunca kesintisiz olarak ölçülmüş, farklı sıkıştırma seviyelerine ulaşmak için kıvrılıp, bükülmüştür. Bu, genomun hangi bölümlerinin aktif ve bastırılmış olduğunu belirleyen kromatin yoğunluğunun üst düzey bir yapı olmadığını önermektedir.
Ekip, 3D mikroskobu yeniden yapılandırmaları ile, 250 nm x 1000 nm x 1000 nm hacimdeki kromatin kıvrımlarını döndürmeyi başardı.
DNA’yı; RNA polimeraz* gibi büyük bir molekülün kromatinin değişken paketleme yoğunluğunu, genomdaki belirli bir noktaya kopyalar.
* Polimer; yapısında birçok molekülün tek bir molekül durumunda bulunduğu bileşiktir. Bir polimeraz, merkezî işlevi RNA ve DNA gibi nükleik asit polimerleri ile ilgili olan bir enzimdir.
Ekip, DNA organizasyonunun ders kitabı modelini potansiyel olarak desteklemenin yanı sıra, kromatin erişiminin kontrol edilmesinin kanser gibi hastalıkların önlenmesi, teşhis edilmesi ve tedavisinde yararlı bir yaklaşım olabileceğini düşündürmektedir.
O’Shea, “Kromatin’in çekirdeğe sığması için ayrı üst düzey yapılar oluşturması gerekmediğini gösteriyoruz. Değiştirilebilen ve kromatin erişilebilirliğini kısıtlayan, hangi farklı DNA dizileri olursa olsun, bizim genomlarımızda nükleozom varyasyonları ve modifikasyonlarının çekirdeğe entegre edilebileceği yerel ve küresel bir yapısal temel sağlayan paketleme yoğunluğu; işlevsel aktiviteye ve erişilebilirliğin ince ayarına olanak tanıyor. “
Gelecekteki çalışma, kromatin yapısının hücre türleri arasında, hatta organizmalar arasında evrensel olup olmadığını inceleyecektir.
