Epigenetik Doç. Dr. Bengi ÇINAR KUL Ankara Üniversitesi Veteriner Fakültesi Genetik Anabilim Dalı (Orijinal metin) Hurley, D. (2013).Trait vs. fate.Discover 34(4) p. 48-55 Darwin ve Freud bir gün bir birahaneye gitmişler. Birahanenin bir köşesinde bir anne fare ile oğlu dertli dertli içki içiyormuş. Anne, kapıdan içeri giren Darwin ve Freud’u görünce çok sevinmiş, hemen yanlarına gitmiş ve -Ey dahiler sizi gördüğüme çok sevindim, oğlumun büyük bir derdi var bu derdin ne olduğunu ancak siz bilebilirsiniz. demiş. Darwin ve Freud merakla –Oğlunuzun neyi var? diye sormuş. Anne - oğlumun ruh hali çok bozuk, hiç mutlu olamıyor, sürekli kötümser, hep kötü şeyler düşünüyor, hep kavga çıkartıyor. Darwin hiç düşünmeden hemen -Sorun Genetik. demiş. Freud -Hayır sorun anneden kaynaklanıyor. demiş. Anne şaşkınlıkla bir Darwin’e bir de Freud’a bakmış ve -Hanginiz doğru söylüyor? diye çaresizce sormuş. Tam o sırada tesadüfen içeriye giren Conrad Waddington sorunun cevabını vermiş; -ikisi de doğru söylüyor, sorun Epigenetik“ demiş. • DNA’da baz diziliminde bir değişiklik olmaksızın şeker-fosfat iskeleti üzerindeki değişimlerle genin ifade edilmesinde gerçekleşen değişiklikleri içerir. Çok hücreli organizmalarda aynı genomdan köken aldığı halde hücrelerin fonksiyon ve hatta hücre yapısında farklılaştıkları görülmektedir. Genomda yer alan her gen, her dokuda dolayısıyla her hücrede protein kodlamaz yani aktif değildir. GEN İFADESİNİN TEMELLERİ • Organizma farklı hücre tiplerinde farklı gen takımlarını çalıştırmaktadır. • Ökaryotlarda gen ifadesinin düzenlenmesi birçok aşamada olabilir. Bu aşamalar; DNA ya da kromatinin yapısal ve kimyasal modifikasyonu, Transkripsiyonel kontrol, Transkripsiyon sonrası kontroldür. GEN İFADESİNİN TEMELERİ • Genler belirli hücrelerde belirli zamanlarda ifade edilmelidir. • Hücrelerin gen ifadesindeki bu kontrolünü sağlayabilmek için kromatinin yeniden şekillenmesi gerekir. DNA MODİFİKASYONLARI • Gen ifadesinde görülen değişiklikler, DNA’nın seçici olarak farklı epigenetik durumlarda bulunan farklı kromatin yapılarına paketlenmesiyle ortaya çıkmaktadır. • Kromatin yapı sıkışıp yoğunlaştığında genler inaktif olur. Kromatin yapısı gevşeyerek açıldığında ise genler aktif olarak ifade edilir. DNA MODİFİKASYONLARI Epigenetik değişiklikler; • DNA metilasyonu • Histon modifikasyonları • RNA aracılı gen susturmaları Olarak üç temel grupta toplanır. DNA METİLASYONU • DNA üzerindeki genler metile ve demetile olarak, o hücrenin görevini yerine getirmesini sağlarlar. • Hücre farklılaşmasıyla beraber farklı dokularda farklı genlerin ifade olmasının temelinde bu düzenleme yatmaktadır. Genom Damgalanması İçin DNA Metillenmesi Gerekir • Genin ifadesi anneden mi babadan mı kalıtıldığına bağlı olarak değişir. Buna genom damgalanması denir. • Germ hücrelerinin oluşumu sırasında, damgalanacak genler, yumurta ya da spermde bulunmalarına bağlı olarak metillenerek işaretlenir. GENOM DAMGALANMASI • Bazı genlerin ifadeleri anne ya da baba genomunda baskılanmış olup, karşılıklarının diğer genomdan alınması gerekir (imprinting). Bunun eksikliğinde normal embriyo gelişimi gerçekleşemez. • Alellerden birisi damgalandığında, o genin fonksiyonu normal olacak iken, bu damgalanma olmazsa genin normal fonksiyonu da bozulur. HİSTON MODİFİKASYONLARI Kromatin yapısını değiştirme işlemlerinden bir diğeri de Histon modifikasyonudur. Bu modifikasyonlar arasında; • Fosforilasyon, • HAT (histone asetil transferaz)’lar tarafından asetillenme • HMT (histon metil transferaz)’lar tarafından metillenme yer almaktadır. HİSTON MODİFİKASYONLARI • Bir genin ifade edilip edilmeyeceğini o geni açık veya kapalı duruma getiren bu modifikasyonlar belirler. • Histonlar üzerinde yapılan bu değişiklikler, kromatin yapısını gevşek ya da sıkı olma durumunu etkileyerek gen ifadesinde düzenleyici rol oynar. TRANSKRİPSİYON DÜZEYİNDE DÜZENLEME • Bazal ya da genel transkripsiyon faktörleri adı verilen bir seri protein, transkripsiyon etkinliğini arttıracak pozitif faktörler ya da transkripsiyon etkinliğini azaltarak negatif faktörler olarak rol oynarlar. • Bu proteinler genlerin ne zaman ve nerede ifade olacağını ve transkripsiyon oranını kontrol ederler. GEN İFADESİNİN TRANSKRİPSİYON SONRASI DÜZENLENMESİ • Post-transkripsiyonel gen sessizleştirilmesi, mRNA üzerinden protein sentezinin engellenmesiyle sağlanır. Bu mekanizmaya RNA interferansı (RNAi) denir. MODEL ORGANİZMALAR • Solucan, sinek ve insan gibi birbirinden son derece farklı hayvan türlerinde, gelişimi denetleyen protein kümeleri şaşırtıcı biçimde benzerdir. Vücut planlarındaki farklılıklar, önemli ölçüde, her genle ilgili düzenleyici DNA’daki farklılıklardan kaynaklanmaktadır. Drosophila melanogaster Embriyo gelişimini kontrol eden genlerin 3 ana sınıfı vardır. Bunlar, • Maternal genler, • Segmentasyon genleri • Homeotik genlerdir Drosophila’da Maternal Genler • Embriyonik gelişim maternal etkili gen ürünlerinin oluşturduğu tabakalanma tarafından başlatılır. • Embriyonun ön ve arka ekseni boyunca oluşan moleküler tabakalanmada yer alan bilgiler segmentasyon genleri ve homeotik genlerden oluşan zigotik gen seti tarafından yönlendirilir. Drosophila’da Segmentasyon Genleri • Segmentasyon genleri, döllenmeden sonra transkribe edilirler ve vücut segmentlerinin sayısını belirlerler. • Embriyonun kendi genomunun ürettiği ilk bileşenlerdir. Bu sebeple zigotik genler olarak adlandırılırlar. • Segmentasyon genlerinin en az üç alt sınıfı vardır, bunlar; Boşluk (gap) genleri, Çift-Kural( pair-rule) genleri Segment polarite genleridir HOMEOTİK GENLER • Homeotik genlerin ifadesi, hangi vücut segmentinden hangi ergin yapıların oluşacağını belirler. • Homeobox genleri ilk olarak Drosophila’da bulunmalarına karşılık, zebra balığı, tavuklar, fareler ve insan da dâhil olmak üzere segmentli vücut planı olan birçok ökaryot genomunda bulunmaktadır. HOX GENLERİ • Hox genleri, embriyo hücrelerinde vücutta hangi yapıların nerede bulunacaklarını ve bu nedenle de neye dönüşeceklerini belirleyen genlerdir. • Bu genler, tüm hayvanlarda, yapı ve işlev bakımından çarpıcı şekilde benzerlik gösterir. Bu nedenle de, hayvanların vücutlarının belirli planlara göre oluşumunun mimarları olarak kabul edilirler. HOX GENLERİ Çok hücreli organizmalarda gelişim, farklı gen ifadesi profillerine dayanmaktadır. Genom hücreden hücreye sabit olmasına karşın gen ifade profili hücrenin içinde bulunduğu koşullara göre hızla değişebilen yapıdadır. Gen ifadesinin analizi, genlerin fonksiyonlarının anlaşılması ve genetik hastalıkların tanı ve sağaltımında önemli yer tutmaktadır. Gen dizisinin saptanmasıyla, genin protein ürününü tanımlamak, nasıl çalıştığını araştırmak ve genin ifade edilmesini denetleyen düzenleyici DNA analizlerine başlamak mümkün olabilmektedir.