Genetik planımızın ortaya çıkarılması Understand article

Tercüme eden: 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…

Resim fr73 / iStockphoto
izniyle

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.

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. Büyütmek
için resmin üzerini tıklayınız.

Resim Genome Research
Limited izniyle

İnsan genomunun en çok şaşırtan tataflarından 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 fonksiyonunun 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 konsorsiyumu oluşturuldu. Konsorsiyum, Amerika’daki Ulusal İnsan Genom Araştırma Enstütüsü tarafından desteklendi ve Birleşik Kralık’daki Avrupa Biyoenformatik Enstütüsü European Bioinformatics Institute (EBI; Kutuya bakınız) 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.

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). Büyütmek için resmin üzerini tıklayınız.
Resim Ian Dunham izniyle
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. Büyütmek
için resmin üzerini tıklayınız.

Resim Darryl Leja izniyle

Haziran 2007’de çıkarılan ENCODE Projesi Konsorsiyumunun (The ENCODE Project Consortium, 2007), başlangıcındaki sonuçlar, genomun ne yaptığı hakkında göz alıcı yeni sonuçlar ortaya koydu. Bir araya geririlen mikroarray (mikrodizin) verilerini (bkz. 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. 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 başladılar. Bu çalışma, DNA dizilim teknolojisindeki gelişmeler ve daha keskin biyokimyasal örneklerin bulunmasıyla daha kolay oldu.

Araştırmacıların analizleri, genomun özelliklerini sistematik fiziksel manzarayı (ormanlar, nehirler ve 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).

Veri seli

ENCODE projesinin sonuçları
yazıcıdan çıkarılsaydı, 12
otobüs dolusu basılmış sayfa
olacaktı.

Resim marcus_jb1973 / Flickr
izniyle

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 (15×1012 bayt) verilerin tümünün halkın da ulaşabileceği şekilde analizini yapmak için bilgisayar çağının yaklaşık 300 yılını harcadı. Eğer veriler cm2 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.

Diziyi hayata döndürme

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

Ses mühendisinin karışım
masasında olduğu gibi
genlerin ifadesi 4 milyonun
üzerinde gen düğmesi içeren
insan genomu ile genlerin
ifadesi karmaşık bir kontrol
altındadır.

Resim Stuart Dallas
Photography / Flickr izniyle

ENCODE genom boyunca yayılmış olan 4 milyondan fazla gen açma-kapama 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 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 verileri bir
hastalığın genetik temelinin
daha iyi anlaşılmasını
sağlayacak.

Resim AlexRaths /
iStockphoto izniyle

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 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. 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.

EBI hakkında daha fazla bilgi

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 EBIw2 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.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – EMBL hakkında daha fazlasını öğren.
  • w2 – EBI hakkında daha fazlasını öğren.
  • 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.

Resources

Institution

EMBL

Author(s)

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.


Review

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.


Namrata Garware, Hindistan




License

CC-BY-NC-ND