Journal of Cell and Molecular Biology Volume 9 No 2 December 2011 http://jcmb.halic.edu.tr Circadian rhythm genes in cancer Tunneling nanotubes Genetic screening of Turkish barley genotypes Strontium ranelate induces genotoxicity
Journal of Cell and Molecular Biology Volume 9 Number 2 December 2011 İstanbul-TURKEY
Editor-in-Chief Nagehan ERSOY TUNALI Haliç University Faculty of Arts and Sciences Journal of Cell and Molecular Biology Founder Gündüz GEDİKOĞLU President of Board of Trustee Rights held by A. Sait SEVGENER Rector Correspondence Address: Journal of Cell and Molecular Biology Haliç Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi, Sıracevizler Cad. No:29 Bomonti 34381 Şişli İstanbul-Turkey Phone: +90 212 343 08 87 Fax: +90 212 231 06 31 E-mail: jcmb@halic.edu.tr Journal of Cell and Molecular Biology is indexed in ULAKBIM, EBSCO, DOAJ, EMBASE, CAPCAS, EMBiology, Socolar, Index COPERNICUS, Open J-Gate, Chemical Abstracts and Genamics JournalSeek ISSN 1303-3646 Printed at MART Printing House Editorial Board M. Baki YOKEŞ Kürşat ÖZDİLLİ Nural BEKİROĞLU Emel BOZKAYA M.Burcu IRMAK YAZICIOĞLU Mehmet OZANSOY Aslı BAŞAR Editorial Assistance Ozan TİRYAKİOĞLU Özlem KURNAZ Advisory Board A.Meriç ALTINÖZ, Istanbul, Turkey Tuncay ALTUĞ, İstanbul, Turkey Canan ARKAN, Munich, Germany Aglaia ATHANASSIADOU, Patras, Greece E. Zerrin BAĞCI, Tekirdağ, Turkey Şehnaz BOLKENT, İstanbul, Turkey Nihat BOZCUK, Ankara, Turkey A. Nur BUYRU, İstanbul, Turkey Kemal BÜYÜKGÜZEL, Zonguldak, Turkey Hande ÇAĞLAYAN, İstanbul, Turkey İsmail ÇAKMAK, İstanbul, Turkey Ayla ÇELİK, Mersin, Turkey Adile ÇEVİKBAŞ, İstanbul, Turkey Beyazıt ÇIRAKOĞLU, İstanbul, Turkey Fevzi DALDAL, Pennsylvania, USA Zihni DEMİRBAĞ, Trabzon, Turkey Gizem DİNLER DOĞANAY, İstanbul, Turkey Mustafa DJAMGÖZ, London, UK Aglika EDREVA, Sofia, Bulgaria Ünal EGELİ, Bursa, Turkey Anne FRARY, İzmir, Turkey Hande GÜRER ORHAN, İzmir, Turkey Nermin GÖZÜKIRMIZI, İstanbul, Turkey Ferruh ÖZCAN, İstanbul, Turkey Asım KADIOĞLU, Trabzon, Turkey Maria V. KALEVITCH, Pennsylvania, USA Nevin Gül KARAGÜLER, İstanbul, Turkey Valentine KEFELİ, Pennsylvania, USA Meral KENCE, Ankara, Turkey Fatma Neşe KÖK, İstanbul, Turkey Uğur ÖZBEK, İstanbul, Turkey Ayşe ÖZDEMİR, İstanbul, Turkey Pınar SAİP, Istanbul, TURKEY Sevtap SAVAŞ, Toronto, Canada Müge TÜRET SAYAR, İstanbul, Turkey İsmail TÜRKAN, İzmir, Turkey Mehmet TOPAKTAŞ, Adana, Turkey Meral ÜNAL, İstanbul, Turkey İlhan YAYLIM ERALTAN, İstanbul, Turkey Selma YILMAZER, İstanbul, Turkey Ziya ZİYLAN, İstanbul, Turkey
Journal of Cell and Molecular Biology CONTENTS Volume 9 Number 2 December 2011 Review Articles The role of circadian rhythm genes in cancer Kanserde sirkadiyan ritim genlerinin rolü H. ATMACA and S. UZUNOĞLU Tunneling nanotubes Crossing the bridge M. McGOWAN Research Articles Genetic screening of Turkish barley genotypes using simple sequence repeat markers H. SİPAHİ Strontium ranelate induces genotoxicity in bone marrow and peripheral blood upon acute and chronic treatment A. ÇELİK, S. YALIN, Ö. SAĞIR, Ü. ÇÖMELEKOĞLU and D. EKE Cloning, expression, purification, and quantification of the 17% N- terminal domain of apolipoprotein b-100 H. M. KHACHFE and D. ATKINSON Cysteine protease from the malaria parasite, Plasmodium bergheipurification and biochemical characterization E. AMLABU, A. J. NOK, H. M. INUWA, B. C. AKIN-OSANAIYE and E. HARUNA Optimization of cellulase enzyme production from corn cobs using Alternaria alternata by solid state fermentation A. IJAZ, Z. ANWAR, Y. ZAFAR, I. HUSSAIN, A. MUHAMMAD, M. IRSHAD and S. MEHMOOD 1 11 19 27 37 43 51 Guidelines for Authors 57 Front cover image: The DNA puzzle, Shutterstock image ID: 1144448
Journal of Cell and Molecular Biology 9(2):1-10, 2011 Review Article 1 Haliç University, Printed in Turkey. http://jcmb.halic.edu.tr Kanserde sirkadiyan ritim genlerinin rolü The role of circadian rhythm genes in cancer Harika ATMACA and Selim UZUNOĞLU * Celal Bayar University, Faculty of Arts and Sciences, Department of Biology, Manisa, Turkey. (* author for correspondence selim@bayar.edu.tr) Received: 27 October 2011; Accepted: 9 December 2011 Abstract Circadian (In Latin: Circa=around, Diem=day) rhythm describes the processes of 24 hour oscillations in the living systems. At the cellular level, circadian rhythm is controlled by a molecular network with positive and negative feedbacks. The known critical elements in the positive feedback loop are Clock and Bmal1; the ones in complementary negative feedback are mainly Period and Cryptochrome genes. In cancer, which is an important health problem today, dysregulation of circadian rhythm is an important risk factor. In this review, circadian rhythm genes involved in cell proliferation, apoptosis, DNA repair, metabolism, detoxification and response to DNA damage and their roles in cancer development are summarized. Keywords: Circadian rhythm, cancer, period, cryptochrome, molecular clock Özet Sirkadiyan (Latince: circa=yaklaşık, diem=gün) ritim canlı sistemlerdeki 24 saatlik dalgalanmalara maruz olayları tanımlar. Hücresel seviyede bakıldığında sirkadiyan ritim, pozitif ve negatif geribildirimler içeren moleküler bir ağ tarafından kontrol edilir. Pozitif geribildirim döngüsünde bilinen kritik elementler Clock ve Bmal1, tamamlayıcı negatif geribildirimde ise Period ve Cryptochrome genleridir. Günümüzde önemli bir sağlık sorunu olan kanserde sirkadiyan ritmin bozulması önemli bir risk faktörüdür. Bu derlemede hücre çoğalması, apoptoz, DNA tamiri, metabolizma, detoksifikasyon ve DNA hasarına cevapla ilişkili sirkadiyan ritim genleri ve kanser oluşumundaki rolleri özetlenmiştir. Anahtar Sözcükler: Sirkadiyan ritim, kanser, periyot, kriptokrom, moleküler saat Kısaltmalar listesi Clock: Circadian Locomotor Output Cycles Kaput, Bmal1: Brain-muscle-arnt-like 117 protein 1, CRY: Cryptochrome, PER: Period homolog 1, E-box: Enhancer box, ROR: Retinoid-related orphan receptor-alpha, REV-ERBα: Nuclear receptor Rev-ErbA-alpha, NONO: Non-POU domain containing, octamer-binding, DEC: Deleted in esophageal cancer 1, CYP2A5: Cytochrome P450 2A5, CYP2C50: Cytochrome P450 2C50, CES3: Carboxylesterase 3, MDR1: ATP-binding cassette, sub-family B (MDR/TAP), member 1, Npas2: Neuronal PAS domain protein 2, Fas: TNF receptor superfamily, member 6, Bax: BCL2-associated X protein, c-myc: Cell division cycle associated 7, Chk1: CHK1 checkpoint homolog, Chk2: CHK2 checkpoint homolog, Atr1: Ataxia telangiectasia and Rad3 related, Jak2: Janus kinase 2, ER: Estrogen receptor, Pbef: Pre- B- cell colony- enhancing factor, Akt1: V-akt murine thymoma viral oncogene homolog 1, Cdk2: Cyclin-dependent kinase 2, TGFβ: Transforming growth factor, beta, EGF: Epidermal growth factor, CCL5: Chemokine (C-C motif) ligand 5, BDKRB2: Bradykinin receptor B2, SP100: SP100 nuclear antigen, Wee1: WEE1 homolog, Mdm-2: Mdm2 p53 binding protein homolog (mouse), Gadd45: Growth arrest and DNA-damage-inducible
2Harika ATMACA and Selim UZUNOĞLU Giriş Uzay zamanda gerçekleşen canlılık fenomenleri, süreç bakımından da kontrole tabidir. Hücredeki her bir molekül, belirli bir zamanda sentezlenir, belirli bir süre fonksiyonunu icra eder ve belli bir sürenin sonunda da yıkıma maruz kalır. Bu perspektiften bakıldığında, hücresel olayların düzenlenmesinde ve kontrolünde zamanlama ve süreyi kontrol eden genler ve bunların ürünleri olan proteinler vardır. Zaman ve sürenin ölçüm ve kontrolünde rol alan biyolojik moleküllerin ve bunların sentezinden sorumlu genetik elementlerin anlaşılması kanser başta olmak üzere birçok hastalığın mekanizmasını çözümlemede önemlidir. Zamanlama ve süre perspektifinden canlılık olayları incelendiğinde, osilasyon, periyot ve ritimlerin sağlıklı hücresel faaliyetler için kritik rol oynadığı görülür (Tablo 1). Tablo 1. Genlerin aktivasyon düzeyleri, süreler, biyolojik fonksiyonlar ve araştırma alanları (Rossi, 2002). Gen Aktivasyonundaki Düzeyler Evrimsel süreçlerde aktif olan genler Yaklaşık Süre Temel Fonksiyon Araştırma Alanı Jeolojik devirler Çeşitliliğin kökeni Evrimsel biyoloji Kalıtım Esnasında aktif olan genler Nesiller arası Replikasyon ve rekombinasyon Genetik Gelişim sırasında aktif olan genler Bir ömür boyu Büyüme Embriyoloji Canlılığın devamı için gerekli/sürekli aktif genler Günlük- Haftalık Metabolizma Fonksiyonel genom bilimi Sirkadiyan ritime göre aktifleşen genler Sirkadiyan Sistem fonksiyonlarının Senkronizasyonu Kronobiyoloji Geç cevapta aktifleşen genler 4-8 saat İmmunite İmmunoloji Erken cevabın ortalarında aktive olan genler 1-2 saat Çevresel cevap Fiziko-nöroimmunoloji Davranışlara cevap olarak aktive olan genler Değişken saatlik dilimler Uyanıklık, uyku, ruh hali Psikoloji Fizyolojik değişikliklere bağlı olarak aktive olan genler Erken cevabın başında hızlıca aktive olan genler Dakikalar-Saatler Hafıza, öğrenme Nöroloji Saniyeler- Dakikalar Uyarılma, stres Psikobiyoloji
Sirkadiyan ritim genleri ve kanser 3 Öyle ki, biyolojik ritimler tek hücreli organizmalardan memelilere kadar bütün canlılarda mevcuttur (Waterhouse J, 1999). Örneğin nörotransmitter ve reseptör sayısındaki değişiklikler, kan basıncı, vücut sıcaklığındaki dalgalanmalar, uyku-uyanıklık, hatta DNA replikasyonunun bile gün içinde değişiklikler gösteren ritimleri vardır (Waterhouse J, 1999; Lowrey ve Takahashi, 2004). Bu ritimlerden biri sirkadiyan ritim (Latince: circa=yaklaşık, diem=gün) olup, canlılardaki 24 saatlik dilimdeki dalgalanmalara maruz olayları tanımlar. Sirkadiyan ritimler hücre, organ, endokrin sistem ve organizma ölçeğinde gözlenir. Sirkadiyan ritimlerin kontrolünde hem genetik faktörler hem de çevresel uyaranlar rol oynar. Çevresel uyaranların sirkadiyan genlerinin okunmasını nasıl düzenlediği ise epigenetik faktörler tarafından belirlenir. Dolayısıyla, hücresel olayların zamanlaması ve süresinin kontrolünde genetik, epigenetik ve çevresel uyaranlar birlikte etkileşir. Sirkadiyan ritmin temel moleküler mekanizması Memelilerde organizma ölçeğinde gözlenen sirkadiyan ritmin düzenlenmesinde Epifiz bezi ve Suprakiazmatik çekirdek rol oynar (Kondratov ve ark., 2007). Hücresel ölçekte bakıldığında ise sirkadiyan ritim, pozitif ve negatif geribildirimler içeren moleküler bir ağ tarafından kontrol edilir (Lowrey ve Takahashi, 2004; Ko ve Takahashi, 2006; Son ve ark., 2011). Bu ağın pozitif geribildirim döngüsündeki moleküler oyuncular Clock ve Bmal1 isimli transkripsiyon faktörü kodlayan genlerdir. Her iki transkripsiyon faktörü de Basic helix-loop-helix (bhlh)-pas transkripsiyon faktör ailesine aittir. Bunların özelliği benzer motiflere sahip ortak domeynler içermeleridir (McGuire ve ark., 1995). Örneğin, PAS domeyni hem bhlh transkripsiyon faktörlerinde hem de Drosophila daki Period isimli sirkadiyan geninde bulunur. Bu faktörler genellikle hücre tipi farklılaşmasının düzenlenmesinde ve çoğalmada görev alan proteinlerin transkripsiyonundan sorumludur (McGuire ve ark., 1995). Heterodimer formunda aktifleşen Clock ve Bmal1 proteinleri, Period ve Cryptochrome gibi sirkadiyan ritim genlerinin transkripsiyonunu düzenler. Memelilerde sirkadiyan ritimleri düzenleyici genlerin transkripsiyonunu zenginleştirici dizilerden biri E-box cis elementi olup, Period ve Cryptochrome genlerinin ortak özelliği bu diziye sahip olmalarıdır. Clock ve Bmal1 heterodimeri de bu bölgeye bağlanarak transkripsiyonu başlatırlar (Lowrey ve Takahashi, 2004; Ko ve Takahashi, 2006) (Şekil 1). Genomun sağlıklı işleyişi ağ tabanlı moleküler etkileşimlerle düzenlendiğinden, sirkadiyan ritim genlerinin sentezini kontrol eden Bmal1 transkripsiyon faktörü de kontrole tabidir. Bu kontrol retinoik asit reseptörle ilişkili orphan nükleer reseptörleri olan ROR ve REV-ERB molekülleri ile gerçekleştirilir. RORα, Bmal1 geninin transkripsiyonunu başlatırken, REV-ERB ise bu transkripsiyonu baskılar (Ko ve Takahashi, 2006). Diğer bir ifadeyle; ROR ve REV-ERB molekülleri Bmal1 in transkripsiyonunu kontrol ederken, Clock/Bmal1 heterodimeri de bu nükleer reseptörlerin sentezini kontrol eder (Lowrey ve Takahashi, 2004; Ko ve Takahashi, 2006). Bu döngünün negatif geribildirim oyuncuları ise Period ve Cryptochrome genleridir. Memelilerde sirkadiyan ritim, bu genlerin transkripsiyon ve translasyonunun döngüsel geribildirimi ile düzenlenir. Period ve Cryptochrome genlerinin transkripsiyonunu Clock/Bmal1 heterodimeri başlatırken, transkripsiyonunu kendisi engeller. Açarsak; Period/Cryptochrome heterodimeri geri beslemeyle kendi sentezini kontrol eder. Bu pozitif ve negatif geribildirim döngülerindeki proteinlerin stabiliteleri ve nükleer translokasyonları fosforilasyon ve übikütinlenme işlemleri ile de düzenlenir. Fosforilasyon işleminde Kazein kinaz 1 ε (CK1ε), Kazein kinaz 1 δ (CK1δ), NONO moleküllerinin rol oynadığı gösterilmiştir (Lowrey ve Takahashi, 2004; Ko ve Takahashi, 2006) (Şekil 1). Sirkadiyan osilasyonunun çevrimi, moleküler osilatörler tarafından transkripsiyon ve translasyonun otomatik olarak düzenlenmesi neticesinde gerçekleşir. Bu mekanizmada PER1 ve PER2 genlerinin promotor bölgesinde bulunan E-box (CACGT[G/T]) bölgesi kritik öneme sahiptir. Bmal1 ve Clock proteinleri kompleks oluşturarak bu bölgeye bağlanır ve E-box bölgesi içeren PER
4Harika ATMACA and Selim UZUNOĞLU genlerinin transkripsiyonu ve translasyonu başlatılır. Sentezlenen PER proteinleri çekirdeğe aktarılır, burada CRY proteini ile heterodimer oluşturur. Bu heterodimer ise E-box bölgesine bağlanarak, transkripsiyonun tekrar başlamasını engeller. Belli bir süre sonra PER/CRY baskılayıcı kompleksi yıkılır, Clock/Bmal1 heterodimeri tekrar E-box bölgesine bağlanır ve transkripsiyon döngüsü yeniden başlatılır. Yardımcı döngüler (REV-ERBα, RORα, DEC) de, osilasyon özelliği gösteren bu temel döngünün düzenlenmesinde rol oynar (Okamura ve ark., 2010; Son ve ark., 2011). Zamanlama ve süreç kontrolü canlılığın her ölçeğinde hayati bir faktördür. Zamanlama ve süreç noktasında gerçekleşecek herhangi bir hata kendi ölçeğinde sorunlara yol açar. Canlılığın en temel fonksiyonel birimi olan hücrede ve çok hücreli organizmalarda sirkadiyan ritmin bozulması birçok hastalığa zemin hazırlar. Şekil 1. Memelilerde saat genlerinin transkripsiyon-translasyonunun döngüsel geri bildirimi. Günümüzde pek çok insanın ölümüne neden olan kanserde sirkadiyan ritmin bozulması önemli bir risk faktörü olmakla beraber, aralarındaki ilişki net olarak aydınlatılamamıştır. Hücre çoğalması, apoptoz, DNA tamiri, metabolizma, detoksifikasyon ve DNA hasarına cevap gibi hücresel olaylar sirkadiyan ritim ile kontrol edilir (Mongrain ve Cermakian, 2009; Rana ve Mahmood, 2010). İlaçların farmakokinetiği (emilim, dağılım, metabolizma ve atılım) sirkadiyan saat tarafından kontrol edilir. Metabolizma ve detoksifikasyonun ana işlemcisi olan karaciğer, sirkadiyan ritimler üretebilen bir biyolojik saat gibidir. Bir çalışmada, sıçan karaciğerinde 3906 genin zamana bağlı ekspresyon profilleri araştırılmış, 67 genin ekspresyonunun sirkadiyan ritim gösterdiği bulunmuştur (Ohdo ve ark., 2011). Sirkadiyan ritim gösteren bu genlerin transkripsiyonun düzenlenmesinde, ilaç metabolizmasında, iyon taşınımında, sinyal iletiminde ve immün cevapta rol alan genler olduğu gösterilmiştir. Sirkadiyan saat, özellikle PAR domaini içeren temel lösin fermuar (PAR bzip) motifli transkripsiyon faktörlerinin ekspresyon profillerini kontrol eder. Bu faktörler ise karaciğerde ksenobiyotik detoksifikasyon sisteminin koordinasyonunda iş gören enzimlerin (CYP2A5, CYP2C50 ve CES3) ifadesini düzenler. PAR bzip transkripsiyon faktörleri mutant olan farelerde ilaç metabolizmasıyla ilgili enzimlerin (karboksilesterazlar, sitokrom p450 enzimleri, glutatyon-s-transferaz enzimleri, p450 oksiredüktaz, sulfotransferazlar gibi) ekspresyon profillerinin değiştiği gösterilmiştir. Ayrıca, kanserde çoklu ilaç direncinden sorumlu P-glikoprotein in (MDR1a) ifade
Sirkadiyan ritim genleri ve kanser 5 profilindeki 24 saatlik değişikliklerin sirkadiyan saatin moleküler bileşenleri tarafından düzenlendiği saptanmıştır (Ohdo ve ark., 2011). Sirkadiyan ritmi düzenleyen genler aynı zamanda hücre döngüsünde rol alan çeşitli transkripsiyon faktörlerini, tümör baskılayıcı genleri ve bazı kaspazların sentezini de kontrol eder (Rana ve Mahmood, 2010). Bu nedenledir ki, sirkadiyan ritim genleri hücre çoğalması ve apoptoz gibi kanserle ilişkili biyolojik olayları önemli ölçüde etkiler. Ancak moleküler mekanizmaları detaylı olarak açıklanamamıştır. Kanserle ilişkili sirkadiyan ritim genleri Kanserle ilişkili sirkadiyan ritim genleri son yıllarda tanımlanmaya başlanmıştır (Tablo 2). Bu genlerden yoğun olarak araştırılan bazılarına kısaca değinilecektir. Clock geni Clock (Circadian Locomotor Output Cycles Kaput), memelilerde tanımlanan ilk sirkadiyan ritim genidir (Sehgal, 2004). Clock proteini, Bmal1 ile dimer formu oluşturduğunda E-box düzenleyici elementlerine bağlanarak, hedef genlerin ifadesini artırır (Ko ve Takahashi, 2006; Mongrain ve Cermakian, 2009). Clock geninin susturulduğu deneysel çalışmalarda yapılan mikroarray analizleri, kanserli dokularda karsinogenez ile ilişkili pek çok molekülde değişiklikler olduğunu ortaya koymuştur. Bu nedenle Clock geninin onkojenik karaktere sahip olduğu belirtilmiştir (Sehgal, 2004, Rana ve Mahmood, 2010). Clock geni mutasyona uğramış farelerle yapılan çalışmalarda, hücre döngüsü inhibitörü genlerinin (p21, p27, Chk1, Chk2 ve Atr1) transkripsiyonunda yüksek düzeyde artış, proliferasyonda rol oynayanlarda ise (Jak2, ER, Pbef, Akt1, Cdk2, cyclin D3 ve cyclin E1, TGFβ, EGF) anlamlı azalış tespit edilmiştir (Miller ve ark., 2006). Bu veriler Clock geninin hücre döngüsündeki önemini ortaya koymaktadır. 441 meme kanseri hastasının doku örnekleriyle yapılan bir mikroarray çalışmasında, hücre döngüsü düzenlenmesi ve meme kanseri progresyonu ile bağlantılı bir gen olan CCL5 in transkripsiyonunda 2.9 kat artış bulunmuştur. Epiteliyal meme hücrelerinin çoğalmasını indükleyen BDKRB2 geninin transkripsiyonunda 2.1 kat, metastazın indüklenmesi, meme kanseri progresyonu ve kötü prognozla bağlantılı SP100 geninin transkripsiyonunda 2.3 kat azalma görülmüştür. Clock geninin kontrol grubuna göre daha fazla ifade edildiği, östrojen/progesteron reseptör negatif grupta, pozitif olanlara göre ifadesinin daha fazla olduğu gösterilmiştir. Ayrıca, hipermetilasyonla Clock geninin transkripsiyonunun engellenmesi ile meme kanseri progresyonundaki yavaşlama arasında bağlantı bulunmuştur (Hoffman ve ark., 2010a). Literatürdeki çalışmalarda meme kanseri (Zhu ve ark., 2005), prostat kanseri (Chu ve ark., 2008) ve non-hodgkin lenfoma (Hoffman ve ark., 2009) örneklerinde sirkadiyan genlerindeki varyasyonlar gösterilmiştir. Zhu ve ark. prostat kanserinin malinyitesiyle Clock geninin intronundaki tek nükleotid polimorfizmi (rs11133373) arasındaki ilişkiyi göstermiştir (Zhu ve ark., 2009). Bmal1 geni Clock/Bmal1 heterodimeri G 2 fazından M fazına geçişte rol alan Wee1 geninin ifadesini düzenler. Bunun yanında, Cyclin D1 (G 1 den S fazına geçişte aktif) ve c-myc (G 0 dan G 1 fazına geçişte aktif) genlerinin transkripsiyonunda da doğrudan etkili olduğu tespit edilmiştir (Zeng ve ark., 2010; Rana ve Mahmood, 2010). Bmal1 geni inaktif olan insan hücrelerinin DNA hasarı sonucu aktiflenen p53 mekanizması üzerinden ölüme gidemediği ve buna bağlı olarak hücre çoğalmasının durdurulamadığı gösterilmiştir. Fareler üzerinde yapılan in vivo çalışmalarda, p21 ekspresyonunun artışına bağlı olarak G1 fazında Bmal1 e bağlı gecikme belirlenmiştir. Bu verinin aksine, Bmal1 geni olmayan insan hücrelerinde radyasyonla uyarılan çoğalmanın engellenmesinin, p53 ve p21 seviyelerindeki azalmayla uyumlu olduğu gösterilmiştir. Bu çelişkili bulgular, türler arası varyasyondan veya in vivo/in vitro deney koşullarından kaynaklanabilir (Rana ve Mahmood, 2010). Bu bulgular, sirkadiyan ritim genlerinden olan Bmal1 in hücre döngüsünün kontrolünde görev aldığını gösterse de, karsinogenez ile ilişkisinin daha detaylı çalışmalarla ortaya konmasına ihtiyaç vardır. Period genleri Period geni ilk defa 1971 yılında Konopka ve Benzer tarafından Drospohila da tanımlanmıştır
6Harika ATMACA and Selim UZUNOĞLU (Sehgal, 2004). Daha sonra memelilerde de bu genin homologu olan üç tane Period geni (PER1, PER2 ve PER3) tanımlanmıştır. Bu genlerin hücre çoğalmasında rol oynadıkları ve tümör baskılayıcı özellik gösterdikleri tespit edilmiştir (Hua ve ark., 2006; Goodspeed ve Lee, 2007). PER2 geninin insan meme sağlıklı epiteliyal hücre kültürlerinde ifade edildiği ancak meme kanseri hücre kültürlerinde ifadesinin düşük olduğu belirlenmiştir. Meme kanserlerinde PER2 geni aktiflendiğinde, hücre çoğalmasının baskılandığı ve apoptoza giden hücre sayısında artış olduğu tespit edilmiştir. Bu durum, PER2 geninin baskılayıcı özelliğine bir delildir (Rana ve Mahmood, 2010). Yapılan araştırmalarda, meme ve kolon kanserlerinde PER1 ve PER2 genlerinde mutasyon tespit edilmiştir. Akut lösemi, meme, kolon, endometrial, akciğer ve pankreas tümörlerinde, normal dokulara göre Period geninin mrna ve protein seviyelerinde azalma tespit edilmiştir (Murga ve ark., 2003; Chen ve ark., 2005; Ko ve Takahashi, 2006; Winter ve ark., 2007; Krugluger ve ark., 2007). Bu gende hem genetik hem de epigenetik (DNA metilasyonu ve histon asetilasyonu) değişiklikler gözlenmiştir (Hua ve ark., 2006). Bu polimorfizmlerin kanser riskini artırmayla bağlantısı gösterilmişse de, altta yatan moleküler mekanizmalar net olarak açıklanamamıştır. İnsan kolon kanseri hücrelerinde PER2 mutasyonunun intestinal beta katenin düzeylerini artırdığı, bunun yanında kolonda polip oluşumunu da artırdığı bildirilmiştir. Ayrıca bu artışın Cyclin D1 proteininin sentezinde artışa ve dolayısıyla hücre çoğalmasında da artışa neden olduğu gösterilmiştir (Wood ve ark., 2009). PER2 geni susturulmuş fare modellerinde, Cyclin D1, Cyclin A, Mdm-2, Gadd45 genlerinin ekspresyonlarında anlamlı değişiklikler saptanmıştır (Hua ve ark., 2006 ). Benzer bir başka çalışmada ise, γ radyasyona maruz bırakılmış mutant farelerde, kontrol grubuna göre tümör oluşumunda artış, apoptoza giden hücrelerde ise azalma tespit edilmiştir. PER1 (rs885747 ve rs2289591), PER2 (rs7602358) ve PER3 (rs1012477) genlerinde bulunan tek nükleotid polimorfizmlerinin prostat kanserine yatkınlıkla ilişkisi olduğu, bunun yanında, PER1 (rs885747 ve rs2289591) ve PER3 (rs1012477) genlerindeki tek nükleotid polimorfizmlerin hastalığın agresifliği ile ilişkili olduğu saptanmıştır (Zhu ve ark., 2009). Meme kanseri biyopsi örneklerinde yapılan çalışmada, PER3 genindeki polimorfizmlerin menopoz öncesi kadınlarda meme kanseri riskini arttırdığı ortaya konmuş, dolayısıyla PER3 geninin bazı polimorfik varyantlarının potansiyel bir belirteç olabileceği vurgulanmıştır (Rana ve Mahmood, 2010). Chen ve ark. nın yaptığı bir çalışmada, meme tümörlerinin %95 inde PER1 ve PER2 genlerinin transkripsiyon düzeylerinde normal hücrelere göre farklılıklar belirlenmiştir. Benzer şekilde, akciğer kanseri tümörlerinin %70 inde, akut miyeloid lösemilerin ise %42 sinde normal doku hücrelerine kıyasla PER1 geninin transkripsiyonunda azalma tespit edilmiştir (Chen ve ark., 2005). Cryptochrome genleri Sirkadiyan ritmin düzenlenmesinde, transkripsiyonu baskılayıcı rol oynayan Cryptochrome (CRY1 ve CRY2) ve Period (PER1, PER2 ve PER3) en çok çalışılan genlerdir. CRY2 geninin ekspresyonundaki değişikliklerin, DNA hasarı kontrolü ve hücre döngüsünde rol alan genlerin ekspresyonunu doğrudan etkilediği gösterilmiştir (Gauger ve Sancar, 2005; Sancar ve ark., 2010). Dolayısıyla, karsinogenezisle ilişkili pek çok hücresel yolak CRY2 geninin kontrolü altındadır. CRY1 ve CRY2 genleri susturulmuş fareler iyonize radyasyona maruz bırakıldığında radyasyona bağlı kanser oluşumunda azalmalar görülmüştür (Hoffman ve ark., 2010b). Dolayısıyla, CRY genlerinin aktivasyonunun radyasyona bağlı karsinogenezde kritik rol oynadığı düşünülmektedir. CRY2 geni susturulmuş meme kanseri hücre kültürleri mutajenlerle muamele edildiğinde, DNA hasarında kontrol hücrelerine oranla anlamlı artış gözlenmiştir (Antoch ve Kondratov, 2009). Bu bulgu CRY genlerinin DNA tamirinde önemli rol oynadığını, dolayısıyla hücrenin genotoksik strese duyarlılığını etkilediğini göstermektedir.
Sirkadiyan ritim genleri ve kanser 7 Tablo 2. Kanserde rol alan sirkadiyan ritim genleri (Ohdo ve ark., 2010). Gen Kanser Tipi Genotip/Gen ifadesi Kanser Prognozuna Etkisi Mekanizma PER2 (Fare) PER1,2,3 (İnsan) Lenfoma Meme kanseri Eksik PER1 ve 2 promotorlarının hipermetilasyonu /İfadesinde azalma Tümör büyümesinde artış Apoptozda azalma Tümör büyümesinde artış Bmal1 ifadesinde azalma c-myc represyonunun engellenmesi Tümör süpresör ve hücre döngüsünde rol oynayan genlerin düzenlenmesindeki bozukluklar c-erbb2 ifadesinde düzensizlikler PER2 (İnsan) Akut myeloid lösemi İfadesinde azalma Başlama ve/veya ilerlemesi CCAATT/artırıcı dizisine bağlanan proteinlerdeki azalış PER2 (İnsan) Kolorektal kanser İfadesinde azalma Tümör oluşumunda artış Beta kateninde azalma PER1 (İnsan) Prostat kanseri İfadesinde azalma Tümör büyümesinde artış Apoptozda azalma Androjen reseptör transkripsiyon aktivitesinin düzenlenmesinde bozukluklar CRY2 (İnsan) Non-Hodgkin lenfoma Tek nükleotid polimorfizmi p53 eksik farede kanserin ortaya çıkışında azalma ve ömür uzaması İmmun cevabın değişimi Hepatik sistem gelişimindeki değişiklikler CRY1,2 (Fare) CRY1 (İnsan) P53 mutant farede timik lenfoma Kronik lenfoid lösemi Eksik CRY1/PER1 ifade oranında değişim Kanserin ortaya çıkışında gecikme Kronik lenfoid löseminin olası sonuçlarının öngörülebilir hale gelmesi Genotoksik strese cevap olarak p53 mutant hücrelerin apoptoza duyarlılaştırlması Hücre döngüsüyle ve DNA hasar cevabıyla ilişkili genlerin ifadelerindeki değişiklikler BMAL1 (İnsan) CK1 Npas2 (İnsan) DEC2 (İnsan) (Wu ve ark., 2011) B hücreli lenfoma, akut lenfositik ve myeloid lösemi Nörodejeneratif hastalıklar ve kanser Non-Hodgkin lenfoma ve meme kanseri İfadesinde artış İfadesinde azalma Düzenlenmesinde bozukluk Tek nükleotid polimorfizmi İfadesinde azalma Kanserde azalış Kanserde artış Kanserde artış Kanserde artış Meme kanseri Baskılanmış Apoptozda artış Büyümenin baskılanması p53 aktivasyonu üzerinden çoğalmanın durdurulamaması Büyümenin aktivasyonu Sinyal iletim yolaklarında etkileşim Bazı hücre döngüsü ve DNA tamir genlerinin ifadelerinin baskılanması Apoptozda rol oynayan proteinlerde [Fas, Bax,c-Myc, kaspaz-8, poli (ADP-riboz) polimeraz (PARP)] değişimler
8Harika ATMACA and Selim UZUNOĞLU Tartışma ve Sonuç Hücre ölçeğinden başlayarak organizmaya kadar sirkadiyan ritmin her düzeyde düzenlenmesi ve kontrolü organizmanın yaşamı için kritik öneme sahiptir. Transkriptom makinasının işleyişini düzenleyen transkripsiyon faktörlerinin bir kısmı, hem sirkadiyan ritmi oluşturan genlerin transkripsiyon-translasyon çevrimlerinin düzenlenmesinde, hem de döngüsel geribildirim yoluyla transkriptom makinesinin kontrolünde rol alır (döngüsel geribildirim yoluyla oto-düzenleme). Biyolojik saatin önemli bir bileşeni olan sirkadiyan ritim genlerinin ürünleri, hangi genlerin ne zaman ne kadar süreyle okunacağını düzenleyen kompleks moleküler sistemin öncül bileşenleridir. Bu nedenle, pozitif ve negatif geribildirim döngüleriyle birbirlerinin ekspresyonunu ve aktivasyonunu kontrol eden sirkadiyan ritim genlerindeki herhangi bir aksaklık, kontrol mekanizmasının, dolayısıyla ritmin bozulmasına yol açar. Memeli genomundaki genlerin %10 unun sirkadiyan ritim genlerinin kontrolünde olduğu belirtilmiştir (Son ve ark., 2011). Bu kontrol genellikle hormonal ve metabolik yolakların üst düzeylerinde gerçekleştiğinden, buradaki bir değişiklik kademeli olarak yolağın aşağı basamaklarını, hedef organ, organel ve molekülleri etkiler. Enformasyon, enerji ve yapı taşlarının örgütlenmesi üzerine kurulan yaşamın moleküler temelinde, bilginin doğru konumda, doğru zamanda ve sürede kullanılması sağlıklı bir yaşam için olmazsa olmazdır. Enformasyonun ve yapıtaşlarının doğru zamanda ve süre içinde kullanımı ve örgütlenmesi sirkadiyan ritimlerle gerçekleştirilir. Bu perspektiften, sirkadiyan ritimlerin kontrolünde rol alan genler birincil seviyede bütün canlılık olaylarını etkiler. Bunun anlamı, sirkadiyan ritim genlerinin aktivasyon ve inaktivasyonundaki bir değişikliğin, hem hücresel hem de organizma düzeyindeki fizyolojik olayları etkilemesidir. Örnek verirsek, DNA hasar tamiri, hücre döngüsünün düzenlenmesi, apoptoz gibi karsinogenezle ilişkili yolaklarda rol oynayan genlerin transkripsiyonu ve aktivasyonu sirkadiyan ritim genlerinin kontrolündedir. Bu genlerin bir veya birkaçında oluşabilecek yapısal veya fonksiyonel herhangi bir değişikliğin hücreyi kansere götürmesi muhtemeldir. Yukarıda belirtildiği gibi sirkadiyan ritim genleri, hormonal yolakların işleyişini de kontrol eder. Özellikle hormona bağlı kanserlerde sirkadiyan ritimlerin bu rolünü görmek mümkündür. Örneğin prostat androjene, meme hücreleri de çoğalmak ve normal gelişimlerini sürdürebilmek için östrojene ihtiyaç duyarlar. Sirkadiyan ritim genlerindeki yapısal veya fonksiyonel bir değişiklikle bu hormonların aşırı sentezi gerçekleşirse bu durum hücre çoğalmasını arttıracak, sonuçta ortamda karsinojen bir madde varmış gibi tümör oluşumu gözlenecektir. Sirkadiyan sistem, gerek kanserin oluşum ve gelişim mekanizmalarını çalışmada, gerekse kanserin tedavisini kolaylaştırmada yeni kronoterapötik stratejiler geliştirmek için özgün bir sistemdir. Sirkadiyan saati, hücre döngüsüne ve metabolizmaya bağlayan moleküler bağlantılar, son yıllarda ortaya konulmaya ve anlaşılmaya başlanmıştır. Bu moleküler bağlantıların kapsamlı şekilde anlaşılması, şüphesiz belirli kanser türlerinin tedavisine olumlu katkılar yapacaktır. Sirkadiyan kontrolün kaybı, organ ve sistemler seviyesinde ortaya çıkan hastalıkların oluşumuna ve gelişimine de katkı yapar. Bunun için sirkadiyan kontrolün kaybına veya bozulmasına yol açan moleküler mekanizmaların bilinmesine yönelik yeni araştırmalara ihtiyaç vardır. Kaynaklar Antoch MP and Kondratov RV. Circadian proteins and genotoxic stress response. Circ Res. 106: 68-67, 2010. Chen ST, Choo KB, Hou MF, Yeh KT, Kuo SJ and Chang JG. Deregulated expression of the PER1, PER2 and PER3 genes in breast cancers. Carcinogenesis. 26 (7): 1241-1246, 2005. Chu LW, Zhu Y, Yu K, Zheng T, Yu H, Zhang Y, Sesterhenn I, Chokkalingam AP, Danforth KN, Shen MC, Stanczyk FZ, Gao YT and Hsing AW. Variants in circadian genes and prostate cancer risk: a population-based study in China. Prostate Cancer P D. 11: 342-348, 2008. Gauger MA and Sancar A. Cryptochrome, circadian cycle, cell cycle checkpoints,