EPİGENETİK MEKANİZMALAR. Başkent Üniversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Biyoloji Anabilim Dalı, Ankara

Transkript

1 EPİGENETİK MEKANİZMALAR Hasibe VERDİ 1, F. Belgin ATAÇ 1 Başkent Üniversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Biyoloji Anabilim Dalı, Ankara Giriş: Genom bilim alanında yaşanan hızlı gelişmeler sayesinde günümüzde modern tıp tüm hücresel fonksiyonları moleküler düzeyde incelemeye başlamıştır. İnsan Genom Projesinin tamamlanması ile genlerin kromozomlar üzerindeki yerleşimi tanımlanmış ve hastalıkların yeniden sınıflandırılması yapılarak fenotip-genotip ilişkilerini açıklamaya yönelik çalışmalar büyük bir ivme kazanmıştır. Ancak tüm bu gelişmelere karşın; halen her yüz meme kanserinden sadece 7 tanesinde gen mutasyonu gösterilirken, diğer 93 tanesinde neden kanser geliştiği, monozigotik ikizlerden birinde tip 2 diyabet gelişirken diğer kardeşin sağlıklı oluşu, kök hücrelerin bölünmeleri esnasında kendi ile özdeş bir hücre oluştururken; bir de farklılaşmış bir hücre oluşturabilmesi, insanlarda aynı genomdan oluşan hücrelerin genomik imza olarak tanımlanan farklı dokuların farklı protein setlerini ifade etmesi gibi sorular ortaya çıkmıştır. Tüm bu farklı hücresel olayların ortak cevabı ise; DNA dizisinden bağımsız olarak gen ifadesinde meydana gelen kalıtsal değişiklikler olarak tanımlanan epigenetik mekanizmalarda yatmaktadır. Genel Bilgiler: Hücre içinde kalıtsal bilgi akışı Santral Dogma Prensibi doğrultunda gerçekleşmektedir (Şekil 1). Protein yapı ve fonksiyonunun temeli içerdiği amino asitler olup; her amino aisidin kodu DNA üzerinde kodon adı verilen üçlü nükleotidlerde saklanmaktadır. Adenin (A),Timin (T) Sitozin (C), Guanin (G) bazlarından oluşan DNA kalıtsal bilgiyi kromozomların üniteleri olarak tanımlanan genlerin ekzon bölgelerinden m-rna aracılığı ile proteinlere aktarır. Sonuç olarak; nükleotidlerin dizisi direkt olarak aminoasit dizisine yansımış olur. Ancak her transkriptden protein sentezi olmaz. İnsan genomunun %96 lık bölümü kodlanmayan RNA olarak adlandırılan; trna, rrna, snrna, snorna, mirna, sirna kodlarken; %4 kadarı proteine çevrilen m-rna yı kodlamaktadır (Şekil 2). Uzunca bir dönem işlevleri hakkında kısıtlı bilgi olması nedeniyle üzerinde durulmayan kodlanmayan RNA nın protein sentezinde

2 işlevsel olmak dışında protein kodlayıcı genlerin ifadelenmesinin de kontrolünde yer aldığı yakın dönemde anlaşılmıştır. Epigenetik; fenotipin oluşumunu sağlayan genler ile bu genlerin ürünleri arasındaki ilişkiyi ve gelişim sürecinde genotipin, feneotipi nasıl oluşturduğunu inceleyen bili dalı olarak ilk kez Conrad Weddington tarafından tanımlanmıştır. Waddington nın epigenetik manzarası olarak açıklanan bu ifadede; gelişim sırasında hücrenin farklı yollara sapabileceği ve bu durumun da hücrenin kaderini değiştirebileceği belirtilmiştir (Şekil 2). Daha sonra yapılan çalışmalar ile bu sürecin yalnızca gelişim dönemine ait olmadığı anlaşılmıştır. Günümüzde ise; epigenetik, DNA dizisini değiştirmeden, gen ifadesinde meydana gelen ve mitoz/mayoz bölünme ile aktarılan değişiklik olarak tanımlanmaktadır. Bireyin sahip olduğu tüm kalıtsal materyal olarak tanımlanan genom; protein üretimi için gerekli olan genetik bilginin yanı sıra, protein üretiminin ne zaman, nerede yapılacağını ve nasıl kullanılacağı bilgisini de içeren epigenetik bilgiyi de taşımaktadır. Güncel bilgilerimiz doğrultusunda epigenetik mekanizmalar DNA ve RNA epigenetiği olmak üzere başlıca iki başlık altında sınıflandırılabilmektedir (Tablo 1). Bu mekanizmalar tek tek veya birlikte çalışarak gen ekspresyonunu etkilemektedir. Bu süreçte meydana gelen anomaliler is hastalık patogenezine neden olmaktadır. DNA Epigenetiği: Gen transkripsiyonunun regülasyonuna dayanır. Bu da RNA polimerazın veya diğer protein faktörlerin DNA daki hedef bölgeye ulaşabilmesinin kontrolü ile gerçekleşen bir süreç olup; hedef DNA nın ilgili protein/enzimler ile etkileşiminin düzenlenmesine bağlıdır. Bu nedenle DNA epigenetiği olarak adlandırılmaktadır. 1. DNA metilasyonu: Gen ifadesinin baskılanmasını sağlayan, embriyonik gelişim, transkripsiyon, kromatin yapısı, X-kromozom inaktivasyonu, genomik imprintlenmenin düzenlenmesi ve kromatin kararlılığının korunmasında fonksiyonel olan bir mekanizmadır. DNA metilasyonu, genomda aynı zincir üzerinde sitozin (C) ve guanin (G) çiftlerinin ardarda sıralanmasıyla oluşan ve CpG adacığı olarak adlandırılan bölgelerde lokalize olan sitozine metil transferaz enzimi aracılığı ile metil transferinin gerçekleşmesiyle oluşur. Oluşan 5metil sitozin DNA daki beşinci baz olarak da adlandırılmaktadır. DNA metilasyonu diziye özgü

3 bağlanan proteinlerin hedef bölgeye ulaşılabilirliğini etkileyerek gen ifadelenmesini değiştirir (Şekil 4). CpG adacıkları yalnızca promotör bölgelerde lokalize değilir. Promotör olmayan bölgelerde de bulunan CpG adacıklarının metillenmesi ise genomik stabiliteyi sağlamaktadır. 2. Histon modifikasyonları: DNA nın, hücre çekirdeğinin içindeki paketlenmesinin ilk basamağı nükleozom oluşumudur. Bu oluşum sürecinde DNA nın şeker fosfat omurgası üzerindeki fosfat kaynaklı negatif yük ile histon proteinlerinin yapısında bulunan lizin ve arjininden zengin bazik histon proteinleri ile bağlanması sonucunda kromatin yapısı oluşur. Nükleozomlar, kromatinin tekrarlayan alt birimleri olup; yaklaşık 146 baz çifti uzunluğundaki DNA zincirinin histon (H) proteinleri H2A, H2B, H3 ve H4 bir araya gelerek oluşturdukları histon oktomeri etrafına sarılmasından oluşur. İki nükleozom birbirine bağlaç DNA ile bağlanır. H1 ise bu yapıya dışarıdan tutunarak nükleozomun açılmasını engeller. Söz konusu bu oluşum sürecinde DNA ile histon proteinleri arasında gerçekleşen iyonik etkileşim ise farklı histon proteinlerine yapılan metilasyon, fosforilasyon, ubikütinasyon gb. kimyasal modifikasyonlar ile manipüle edilebilmektedir. Bu modifikasyonlar DNA ve histon proteinleri arasındaki etkileşimi değiştirerek ilgili bölgenin yoğun biçimde paketlenmesi veya daha gevşek paketlenmesine neden olmaktadır (Şekil 5). Kombine modifikasyonlar ise, histon kodu olarak adlandırılarak transkripsiyonel durumu belirler. Oluşan modifikasyonlar başka bir kimyasal modifikasyon ile geri dönüştürülebilmektedir. Bu konuda histon asetilaz ve deasetilazların transkripsiyonel regülasyondaki işlevinin anlaşılmasından sonra geniş yelpazede hastalıkların tedavisine yönelik in-vivo ve in-vitro çalışmalar literatürde yer almıştır. Çok çalışma yapılmış olmakla beraber klinikte sınırlı kullanımın olmasının altında yatan neden çok hücreli organizmalarda seçici hücre susturmanın sağlanmasındaki zorluklardan kaynaklanmaktadır. 3. Kromatin yeniden modellenme: Nükleer genom çekirdek içinde ileri düzeyde paketlenmiş olarak bulunmaktadır. Bu nedenle de transkripsiyon sürecinde bariyer gibi davranmaktadır. Transkripsiyondan sorumu olan RNA polimerazın DNA üzerindeki promotor bölgeye ulaşabilmesi için kromatin yapının açılması gerekmektedir. Kromatinde yeniden düzenlenme olarak tanımlanan bu durum nükleozomların daha sıkı veya daha gevşek paketlenmesi ile gerçekleşir. Bu süreç

4 DNA-histon arasındaki elektrostatik etkileşimin zayıflaması ve kromatin yeniden düzenleyici protein ailesi üyesi olan SWI/SNF, ISWI, CHD ve INO80 isimli proteinler tarafından düzenlenmektedir. RNA Epigenetiği: Yukarıda da belirtildiği gibi transkriptomun yaklaşık olarak %4 kadarı m-rna dan oluşmaktadır. RNA epigenetik mekanizmasının temel hedefi ise oluşan m-rna dan protein sentezinin regülasyonuna dayanmaktadır. 1. mrna nın 6 metil adenozin modifikasyonu: m-rna nın N6-metiladenozin (m6a) modifikasyonu çok yaygın olup; ökaryotik transkriptomu modüle ederek mrna nın splicing, lokalizasyonu, translasyonu ve stabilitesinde rol oynar. Son çalışmalar bu modifikasyonun m-rna ya ek olarak uzun kodlamayan RNA da (lnc-rna) da olduğunu bildirmektedir. Metilasyon işlemi yazıcı olarak adlandırılan metiltransferaz enzimleri tarafından gerçekleştirilirken; demetilasyon işlemi ise silici görevini gerçekleştiren demetilazlar tarafından gerçekleştirilerek, hücrenin epitranskriptomu oluşturulmaktadır. RNA üzerinde söz konusu metil kodunun anlamlandırılması ise okuyucu moleküllerce sağlanmakta ve modifiye edilen transkriptomun geleceğini buna göre belirleyerek hücre farklılaşması, immun tolerans gb. çeşitli mekanizmalarda görev almasını sağlamaktadır. 2. Kodlamayan RNA: Klasik bilgilerimiz RNA nın, DNA ile protein arasında basit bir bilgi taşıyıcı rolü olduğuna işaret etmekteydi. Hızla ilerleyen teknoloji sayesinde gerçekleştirilen büyük ölçekli genom dizilemeleri sonucunda çok hücreli canlıların çoğunun tek hücreli canlılardan daha az protein kodlayan gen içerdiği belirlenmiştir. Bu durum iki şekilde açıklanabilir. Bunlar: 1. Protein kodlamayan bölgeler genomun farklılığı ve karmaşık yapısından sorumludur 2. Protein kodlamayan RNA nın (nc-rna) hücre transkriptomunun büyük bir bölümünü oluşturmasına ek olarak; önceki klasik bilginin aksine bu moleküllerin atık materyal değil, fonksiyonel olarak çok aktif olması ve organizmaların gelişiminde önemli kilit molekül olduğu hücresel savunma, gelişimsel süreçlerden hücresel cevaba kadar bir çok göreve sahip olduğu anlaşılmıştır. Güncel bilgilerimiz dahilinde nc-rna lar yaygın olarak uzunluklarına göre sınıflandırılmaktadır. Bunlar:

5 2.1 Küçük kodlamayan RNA: 200 nükleotidin altında olan ncrna lara verilen isimdir. Bu ailenin başlıca üyeleri mirna, sirna, pirna, trna, snrna ve snorna olarak sınıflandırılmaktadır. Epigenetik mekanizmalarda bu ailenin üyelerinden mirna, sirna ve piwi görev almaktadır. mirna, RNA interferans mekanizması ile gen susturulmasını sağlayan moleküldür. Genomdan kodlanarak transkripsiyon sonrasında pre-mirna yı oluşturup; eksportin aracılığı ile sitoplazmaya çıkarak dicer ile daha küçük parçalara kesilerek RISC kompleksi ile birleşir. Etkisini ise hedef mrna molekülünün translasyonunu baskılayarak, mrna yı yıkarak veya mrna nın deadenilasyonunu sağlayarak mrna nın yıkımını gerçekleştirir Uzun kodlamayan RNA (lncrna): 200 nükleotidden daha uzun olanlar bu ailenin üyesi olup; ilk kez genomik baskılama ve X kromozom inaktivasyonundaki rolleri ile tanımlanmıştır. X kromozomundan kopyalanan XIST RNA nın dozaj kompansasyonundaki işlevi anlaşılmıştır. Daha sonra ise farklı dokularda farklı işlevlere sahip çok sayıda lncrna ların varlığı bildirilmiştir. Güncel bilgiler lncrna ların gen ifadelenmesini; epigenetik regülasyon (genetik imprintlenme ve kromatin yeniden modellenmesi), transkripsiyonel düzeyde regülasyon ( decoy -yemleme), posttranskripsiyonel düzeyde regülasyon (splicing ve mrna yıkımı) ve translasyonel regülasyon olmak üzere dört farklı düzede etkileyebildiğine işaret etmektedir. Söz konusu bu regülasyon mekanizmalarının anlaşılması ile başta kanser olmak üzere pek çok hastalığın tanı, tedavi protokolüne yenilik getirecektir. Epigenetik mekanizmalar ile ilgili artan bilgi birikimi pek çok hastalığın patogenezinin aydınlatılmasına ek olarak, tanı, ilaç geliştirme ve tedavi olanaklarına katkı sağlayacaktır.

6 ŞEKİLLER: Şekil 1. Santral Dogma Prensibi Şekil 2. Memeli transkriptomunda RNA dağılımı

7 Şekil 3: Waddington nun epigenetik manzarası

8 Tablo 1: Epigenetik mekanizmaların sınıflandırılması Şekil 4: Diziye özgü bağlanan proteinler DNA metilasyonu ile hedefe ulaşabilirliği değişmektedir

9 Şekil 5: DNA nın histon proteinleri ile paketlenme farklılığı

10 Kaynaklar: 1. Alberts B, Jonson A, Lewis J. et.al. Molecular Biology of the Cell. Fourth edition. Garland Science, New York, van der Harst P, de Windt LJ, Chambers JC, Translational Perspective on Epigenetics in Cardiovascular Disease. J Am Coll Cardiol Aug 1;70(5): Choi JD, Lee JS. Interplay between epigenetics and genetics in cancer. Genomics Inform 2013;11(4): Längst G., Manelyte L., Chromatin remodelers: from function to dysfunction genes 2015, 6, Vignali M, Hassan AH, Neely KE, Workman JL., ATP-dependent chromatin-remodeling complexes. Mol Cell Biol Mar;20(6): Liu N, Pan T. RNA epigenetics. Transl Res Jan;165(1): Maity A, Das B. N6-methyladenosine modification in mrna: machinery, function and implications for health and diseases FEBS J May;283(9): Wu R, Jiang D, Wang Y, Wang X, (m(6)a) Methylation in mrna with a dynamic and reversible epigenetic modification, Mol Biotechnol. 2016; Jul;58(7): Taft RJ, Pheasant M, Mattick JS. The relationship between nonprotein-coding DNA and eukaryotic complexity. Bioessays 2007; 29: Schmitz U, Pinello N, Jia F, Alasmari S, Ritchie W, Keightley MC, Shini S, Lieschke GJ, Wong JJ, Rasko JEJ, Intron retention enhances gene regulatory complexity in vertebrates. Genome Biol Nov 16;18(1): Arendt T, Ueberham U, Janitz M, Non-coding transcriptome in brain aging, Aging (Albany NY) Sep 12;9(9): Ponnusamy M, Yan KW, Liu CY, Li PF, Wang K. PIWI family emerging as a decisive factor of cell fate. Eur J Cell Biol Dec;96(8): Huang XA, Yin H, Sweeney S, Raha D, Snyder M, Lin H. A major epigenetic programming mechanism guided by pirnas Dev Cell Mar 11;24(5): Batista PJ, Chang HY., Cytotopic localization by long noncoding RNAs. Curr Opin Cell Biol Apr;25(2):195-9

11 14.Mas-Ponte D, Carlevaro-Fita J, Palumbo E etal, LncATLAS database for subcellular localization of long noncoding RNAs. RNA Jul;23(7): Sun W, Yang Y, Xu C, Guo J. Regulatory mechanisms of long noncoding RNAs on gene expression in cancers, Cancer Genet Oct; :