ImagecourtesyofGenomeResearchLimited Resim: fr73 / istockphoto iznyle Genetik planımızın ortaya çıkarılması Louisa Wood Avrupa Biyoenformatik Enstitüsü (Türkçe çevirisi) Tuğçe Kaymaz, Hikmet Geçkil İnönü Üniversitesi Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü DNA mızın önemli bir kısmı ne işe yarar? Diğer birçok durumun yanında, önemli hastalıkların anahtarını elinde tutabilen "işe yaramaz" veya çöp DNA olarak bilinen bu dizileri incelemek için yüzlerce bilim adamı yıllarını harcadı. İnsan genom dizilimi olan İnsan Genom Projesi son on yıların en büyük başarısı oldu. İnsan genetik planını (DNA parmak izini) oluşturan üç milyar bazın tümünü açığa çıkardı. Fakat hikaye burada son bulmuyor. Bu dizilerin hüclerimizce nasıl yorumlandığının anlaşılması genomun nasıl iş yaptığını anlamada önemlidir. Böylece, daha sonra biyomedikal araştırma ve sağlık alanında bu bilgiye başvurabileceğiz. İnsan genomunun en çok şaşırtan taraflarından biri, genomun sadece %2 sinin proteinleri yapmak için gerekli talimatları bulunduran genleri içeriyor olmasıydı. Genomun kodlanmayan bazı RNA ları (örneğin genlerin aktivitesinden sorumlu olanlar ve ön mesajcı RNA nın olgun mrna ya translasyonundan önce kesilip çıkarılan intron adı verilen diziler) istisna kabul edilirse, genomun geri kalanının biyolojik fonksi- yonunun olmadığı düşünülüyor ve buna işe yaramayan (çöp) DNA deniliyordu. Dizinin ötesine geçme İnsan genom diziliminin yapıldığı zamanlarda, bu dizilerin gerçekten işe yaramaz olup olmadığını bulmanın tam zamanıydı. İnsan genomunun fonksiyonel fakat kodlanmayan elementlerini karakterize etmek için 2003 te ENCODE Şekil 1. İnsan Genom Projesinin insan DNA dizisinin tümünü belirlemek için kullandığı otomatik DNA dizilim makinesi çıktısından bir örnek. Her bir tepe belirli bir bazın varlığını gösteriyor. İnsan Genom Projesi ile genomumuzu oluşturan 3 milyar harf belirlendi. ENCODE şimdi genomun nasıl çalıştığının ayrıntılarını ortaya koyuyor. Resim: Genome Research. Limited 20 Science in School Sayı 26 : Bahar 2013 www.scienceinschool.org
GÖRÜŞ İleri bilim konsorsiyumu oluşturuldu. Konsorsiyum, Amerika daki Ulusal İnsan Genom Araştırma Enstütüsü tarafından desteklendi ve Birleşik Kralık daki Avrupa Biyoenformatik Enstütüsü tarafından yönetildi. ENCODE deneme aşaması 2003-2007 yılları arasında işledi ve genomun %1 lik kısmındaki aktif bölgelerin belirlenmesinde (aslında bazı işe yaramayan genomik bölgelerin gözden geçirilmesinde) küresel bir araştırmacı ağı oluşturarak deneysel ve hesaplama yöntemlerini karşılaştırarak ve en uygun şekilde kullanmayı hedefledi. Haziran 2007 de çıkarılan ENCODE Projesi Konsorsiyumunun, başlangıcındaki sonuçlar, genomun ne yaptığı hakkında göz alıcı yeni sonuçlar ortaya koydu. Bir araya geririlen mikroarray (mikrodizin) verilerini (Koutsos et al., 2009) ve dizilim deneyleri, transkripsiyonel olarak sessiz oldukları düşünülen bölgeleri de içeren genomun büyük bir bölümünün transkribe olduğu gösterildi (Şekil 2). Henüz çoğu transkriptin biyolojik görevi bilinmemesine rağmen, bazılarının gen ekspresyonu için önemli düzenleyiciler olduğu gösterildi. Genel olarak bu durum; genler, genlerin aktivitesini düzenlemede rol alan bölgeler ve diğer DNA dizileri arasındaki etkileşimin düşünülenden çok daha karmaşık olduğunu gösterdi. Resim: Ian Dunham izniyle Bioyloji Genetik İnsan Genom Projesi Biyoenformatik Yaş 14+ Bu makale insan genetiğinin en son gelişmelerinden biri olan ENCODE projesine ve proje araştırmasının nasıl uygulandığına ışık tutuyor. Öğrenciler genetik kodla tanıştıkları zaman insan DNA sının gerçekte sadece %2 sinin proteinleri kodladığı, geri kalanının ise sözde işe yaramaz olduğu gerçeğiyle şaşkına dönüyorlar. ENCODE projesi bu kodlanmayan DNA nın fonksiyonunu araştırdı ve nihayet onun gerçekte işe yaramaz olmadığını buldu. İnsan Genom Projesi tartışılırken siz de ENCODE u tanıtabilirsiniz. Öğrencilere gen düzenlemesi, genetik hastalıklar ve onların tedavileri ve genetik araştırmada kullanılan teknikler hakkında ön bilgi vermek faydalı olabilir. Makale, öğrenciler arasında biyoenfomatiğe olan ilgiyi tetikleyebilir ve onları ENCODE projesi hakkında bir çalışma yapmaya cesaretlendirebilirsiniz. Veriler, genomun bir amaç için kullanılmayan bölgelerinin düşünülenden daha az olduğunu ve birçok formda aktif elementler içerdiğini ortaya koydu. Yaklaşımlarını başarılı bir şekilde test ettikten sonra, ENCODE araştırmacıları insan genomunun tümünü incelemeye Namrata Garware, Hindistan başladılar. Bu çalışma, DNA dizilim teknolojisindeki gelişmeler ve daha keskin biyokimyasal örneklerin bulun-masıyla daha kolay oldu. Araştırmacıların analizleri, genomun özelliklerini sistematik fiziksel manzarayı (ormanlar, nehirler ve Nükleozomlar Uzun-mesafe düzenleyici elementler (enhansırlar, represörler / susturucular, yalıtıcılar) Açık kromatin Transkripsiyon faktörleri DNase -seq ChIP-seq Kısa-mesafe düzenleyici elementler (promotorlar, transkripsiyon faktörleri bağlanma bölgeleri) Transkript Kompütasyonal Tahminler ve RT-PCR Gen Transkript RNA polimeraz RNA -seq Şekil 2. Genom paketinin açılması: kromozomdan çift zincirli DNA ya kadar yakınlaştırma. Bu şekil, genomun biyolojik olarak fonksiyonel bölgelerini belirlemek için ENCODE araştırmacıları tarafından kullanılan bazı yöntemleri örnekliyor: transkript dizilimini (RNA dizilimi ve RT-PCR) transkribe olmuş bölgeleri belirlemek için, kromatin immünopresipitasyon dizilimini (ChIP dizilimi; transkripsiyonun kontrolünde gereken proteinler tarafından sınırlandırılan bölgeleri belirlemek için), DNaz sindirimi (DNaz dizilimindeki açık kromatini belirlemek için), hesaplama tahminlerini, genleri bulmak ve yüksek korunumlu bölgelerin belirlenmesi için) ve ekspresyon bilgilendirme tahlilleri (örneğin promotör aktivitesini test etmek için; şekilde gösterilmemiş). Resim: Darryl Leja nın izniyle www.scienceinschool.org Science in School Sayı 26 : Bahar 2013 21
Resim: Darryl Leja izniyle Resim: marcus_jb1973/bemani247/andrewfarquhar/flickr Şekil 3. ENCODE projesi farklı doku çeşitlerindeki genom düzenlemesindeki farklılıkları anlamak için 147 farklı hücre çeşitini analiz etti. Şekil, çalışmayı kapsayan 147 farklı hücre çeşitinden 47 sinin yerini gösteriyor. Hücreler aynı genomu paylaşmalarına rağmen, bilgiyi kullanma yolları hücre çeşitleri arasında farklılık gösterdiğinden, birçok hücre çeşiti kullanıldı. Veri seli Eylül 2012 de Birleşik Kralık, Amerika, İspanya, Singapur ve Japonya daki 32 araştırma enstütüsünden 442 araştırmacının analiz ve deneylerinden 5 yıl sonra ENCODE projesi tüm genomun en detaylı analizinin sonuçlarının açıklanması için duyuru yaptı. Bu çalışma 15 terabaytlık (15x10 12 bayt) verilerin tümünün halkın da ulaşabileceği şekilde analizini yapmak için bilgisayar çağının yaklaşık 300 yılını harcadı. Eğer veriler cm 2 başına 1000 baz çifti basılsaydı yüksekliği 16 m ve uzunluğu 30 m den daha fazla olan kağıttan bir kule olacaktı (12 çift katlı otobüs hacmine eşdeğer). ENCODE projesi, tek bir organizasyon tarafından detayları elde edilemeyecak kadar büyük genomun tam bir portresini yapmak için her biri yapbozun bir parçasını ekleyen yüzlerce araştırmacının bireysel katkıları üzerine inşa edilen büyük ölçekli projelerle ne elde edilebileceğinin başarılı bir örneğidir. Diziye hayat verme ENCODE deneylerinin göstermiş olduğu en heyecan verici şeylerden biri de genomumuzun baskın bir şekilde fonksiyonel olmayan bir dizi olması yerine, etkin bir şekilde canlı ve dinamik olduğudur (genomun %80 i aktif olarak bir şeyler yapıyor). Tam olarak ne yaptığı keşfedilmeye devam ediyor fakat kesin olarak %9 unun (ya da muhtemelen çok daha fazlasının) gen ekspresyonunu düzenlemede, proteinlerin nerede ve ne zaman yapıldığını kontrol etmede görevlidir. Genomun aktif olan %80 i transkripsiyon faktörleri için buraya bağlan bölgeleri anlamına gelen 70 000 den fazla promotor bölge ve yaklaşık olarak 40 000 hızlandırıcı (etki arttırıcı) bölge (uzak genlerin ekspresyonunu kontrol eden yardımcı diziler) içermektedir. Büyük, 3D Kontrol paneli ENCODE genom boyunca yayılmış olan 4 milyondan fazla gen açmakapama düğmesini belirledi. Genomu, bir ses mühendisinin karışım masasında olduğu gibi birçok düğmeyle genleri açıp kapatan üç boyutlu (3D) büyük bir kontrol paneli olarak resmedebilirsiniz. Bu bilgi, gen ifadesini daha detayları ile anlamamızı sağlıyor ve hastalıkların tedavisi için yeni fırsatlar açığa çıkarıyor. Örneğin CARD9 adında bir gen açma-kapama düğmesindeki küçük bir değişim ilerleyen Chron sendromunda (iltihaplı bir bağırsak hastalığı) %20 artan risk ile ilişkilendirilir. Bir hastalığın nedenini gen düğmelerini etkin bir şekilde ENCODE projesinin sonuçları yazıcıdan çıkarılsaydı, 12 otobüs dolusu basılmış sayfa yapardı. Resim: Darryl Leja nın izniyle dağlar gibi coğrafik özellikleri tanımlayan bir harita) ortaya koymak içindi. ENCODE araştırmacıları genomda shhhh işaretleriyle belirlenen bölgelerdeki (genin sustrulmasını sağlayan metil grupları) özellikleri, transkripsiyon faktörleri için buraya bağlan tabelalarını, transkripsiyonu artırmak için güçlendirici bölgeleri ve DNA nın nasıl paketlendiğini kontrol eden DNA modifikasyonlarını arıyorlardı (Şekil 3). 22 Science in School Sayı 26 : Bahar 2013
İleri bilim kapatarak normale çevirebilseydin ne olurdu? Ayrıca ENCODE sonuçları genomun nasıl organize edildiğine ve fiziksel etkileşimlerin nasıl meydana geldiğine ışık tutuyor. Araştırmacılar yüzlerce kilobaz aracılığıyla düzgün bir biçimde ayrılabilmenin yanı sıra kontrol ettikleri genler ile fiziksel temas halinde olan gen düğmelerini de buldular. Genomu uzun, doğru bir dizi olarak hayal etmeye meyilliyiz fakat gerçekte, hücrenin çekirdeğinde genom farklı parçaları ile birbiriyle temas edecek şekilde bir araya getirilerek sıkıca paketlenmiştir. Verilere dayanma ENCODE genomun detaylı bir haritasını sağlıyor ayrıca bilimin tüm yeni alanlarını keşfetmek için kapıları aralıyor. EBI da görev alan ayrıca ENCODE gazetesinin de başyazarı olan Ian Dunham şöyle açıklıyor: Birçok durumda hangi genin hastalık için gerektiği hakkında iyi bir fikre sahip olabilirsiniz fakat hangi düğmenin gerekli olduğunu bilemezsiniz. Bazen bu düğmeler çok şaşırtıcı oluyor, bulundukları yerler çok farklı bir hastalıkla mantıken daha ilişkili görünebiliyor. ENCODE bize sağlık ve hastalıktaki oyunda anahtar mekanizmaları keşfetmeyi Resim: Stuart Dallas Photography / Flickr EBI hakkında Avrupa Moleküler Biyoloji Laboratuvarı (European Molecular Biology Laboratory (EMBL)) w1 yaşam bilimlerindeki temel araştırmaya kendini adamış dünyanın en iyi araştırma enstütülerinden biridir. EMBL; uluslararası, yenilikçi ve disiplinlerarasıdır. 60 ulustan çalışanları biyoloji, fizik, kimya ve bilgisayar bilimini içeren bir altyapıya sahiptir ve moleküler biyolojinin tüm spektrumunu kapsayan çalışmada işbirliği yapmaktadırlar. Cambridge (Birleşik Krallık) yakınında kurulmuş olan EBI w2 EMBL nin bir parçasıdır. Yaşam bilimi deneylerindeki verileri küresel bilim topluluğuna ücretsiz olarak sağlıyor ve biyolojik hesaplamadaki temel araştırmayı yapıyor. EBI yaşam bilimi deneylerinde her gün üretilen olağanüstü miktardaki verilerin çoğunu elde etmek için araştırmacıları akademi ve sanayi alanlarında eğitiyor. EMBL, Science in School un yayıncısı olan EIROforumw3 un bir üyesidir. Science in School daki tüm EMBL ilişkili makale listesine bakınız: scienceinschool.org/embl sürdürmemiz için bir dizi yol gösteriyor. Bunlar tamamen yeni ilaçları oluşturmak için ya da var olan tedavileri yeniden amaçlak için harcanabilirler. Bir hastalıkta hangi genlerin gerektiğini bilmenin yanı sıra, araştırmacılar şimdi genlerin nasıl açılıp-kapandığını düzenleyen düğmelerden bazılarını biliyorlar. Ses mühendisinin karışım masasında olduğu gibi genlerin ifadesi 4 milyonun üzerinde gen düğmesi içeren insan genomu ile genlerin ifadesi karmaşık bir kontrol altındadır. Bu, özellikle de bir gen ve hastalık arasındaki bağlantıları belirleyen nüfus tabanlı çalışmaların sonuçlarını yorumlamak için faydalı olacak. Araştırmacılar, ENCODE projesi ve genom çapındaki çalışmaların verilerinin bir arada ele alarak, ENCODE tarafından belirlenen gen düğmelerini de içeren ve belli bir hastalığı işaret eden fonksiyonel belirteçlerin hastalıkla ilişkili bölgelerinin genetik varyasyonlarını haritalayabilirler. ENCODE verileri hastalığın genetik temelini daha iyi anlamayı sağlayacak ve yıllardır bunu anlamaya çalışan bilim adamlarının çalışmlarını destekleyecektir. Referanslar The ENCODE Project Consortium (2007) Identification and analysis of functional elements in 1% of the human genome by the ENCODE pilot project. Nature 447: 799-816. doi: 10.1038/nature05874 Bu makaleyi ücretsiz olarak Science in School un web sitesinden indirebilirsiniz, ya da Nature abone ol; www.nature.com/subscribe ENCODE Projesi Konsorsiyumu (2012) İnsan genom birimlerinin birleştirilmiş ansiklopedisi. Nature 489:57 74. doi: 10.1038/nature11247 Science in School Sayı 26 : Bahar 2013 23
Resim: AlexRaths/iStockphoto Bu makaleyi ücretsiz olarak Science in School un web sitesinden indirebilirsiniz, ya da Nature dergisine abone ol; www.nature.com/subscribe Koutsos A, Manaia A, Willingale- Theune J (2009) Fishing for genes: DNA microarrays in the classroom. Science in School 12: 44-49. www. scienceinschool.org/2009/issue12/ microarray Web referansları w1 EMBL hakında daha fazla bilgi için. Bkz: www.embl.org w2 EBI hakında daha fazla bilgi için. Bkz: www.ebi.ac.uk w3 EIROforum Avrupa nın en Büyük 8 hükümeti arasındaki kaynakları, olanakları ve ekspertizleri tam potansiyele ulaşmada Avrupa bilimini desteklemek için birleştiren bilimsel araştırma organizasyonlarının işbirlikçisidir. EIROforum eğitim ve sosyal yardım aktivitelerinin bir parçası olarak Science in School u çıkarmıştır. Bkz.: www.eiroforum.org Kaynaklar Nature nin websitesinde bulunan ENCODE Explorer 13 parçada ENCODE verilerini sunuyor. ENCODE verilerini gösteren ücretsiz posteri (20 MB) indirebilirsin. Bkz: www.nature.com/encode Vey doğrudan linki tıklayınız: http://tinyurl.com/bloyd3k Çevrimiçi videoda, Nature editörü Magdalena Skipper ve EBI ın Ewan Birney i ENCODE projesini tartışıyor. Bkz: http://youtu.be/y3v2thsj1wc Senin Hikayen: ENCODE ve Human Genome ENCODE projesini karikatür formatında sunuyor. Bkz: http://youtu. be/twxxgez9o4w ENCODE verileri bir hastalığın genetik temelinin daha iyi anlaşılmasını sağlayacak. Ewan Birney (EBI), Tim Hubbard (Wellcome Trust Sanger Institute) ve Roderic Guigo (CRG ENCODE videosunu sunuyor (İspanyolca altyazılı). Bkz: http://youtu. be/kiwxthrfbc8 Biyoinformatiği derslerinde tanıtmak için bu aktivitelerden birini niçin denemiyorsun? Kozlowski C (2010) Bioinformatics with pen and paper: building a phylogenetic tree. Science in School 17: 28-33. www.scienceinschool. org/2010/issue17/bioinformatics Communication and Public Engagement team (2010) Can you spot a cancer mutation? Science in School 16: 39-44. www.scienceinschool. org/2010/issue16/cancer Biyoenformatik hakkında daha fazla bilgi için bkz: Hayes E (2011) An archaeologist of the genome: Svante Pääbo. Science in School 20: 6-12. www.scienceinschool.org/2011/ issue20/paabo Pathmanathan S, Hayes E (2007) Nicky Mulder, bioinformatician. Science in School 6: 75-77. www. scienceinschool.org/2007/issue6/ nickymulder If you found this article useful, you might also enjoy the other cuttingedge science articles in Science in School. See: www.scienceinschool. org/cuttingedge Dr Louisa Wood EBI da çalışıyor. Enstitünün okullarda ve halka açık yerlerdeki sosyal yardımından sorumlu. Bitki moleküler biyolojisinde bilimsel bir geçmişe sahip olup doktorasını John Innes Center, Norwich, Birleşik Krallık da ve Max-Planck Institute for Plant Breeding, Cologne, Almanya da yapmıştır. Daha sonra teknik iletişim ve sosyal dayanışma alanlarında kariyere başladı. 2007 den beri EBI da çalışıyor. Bu kodu nasıl kullanacağınızı öğrenmek için, bkz: Sayfa 57 24 Science in School Sayı 26 : Bahar 2013