Model organizmadan tıbbi ilerlemelere Understand article

Tercüme eden: Canbolat Gürses ve Hikmet Geçkil (İnönü Üniversitesi, Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü). Bira mayalamada kullanılan basit bir mantar şu anda tüm dünyada ileri kanser araştırmalarında kullanılıyor.

Resim iStock’un müsadesiyle

Kanser her yıl dünya genelinde milyonlarca insanı etkiliyor. Öte yandan, kanser alanında devam eden araştırmalar sayesinde, hücre biyolojisinin temeli oluşturularak, tedaviler ve hayatta kalma oranları her geçen gün artıyor. Şaşırtıcı bir şekilde, Schizosaccharomyces pombe mayası kanser araştırmaları için önemli bir araçtır. Bu yoğun çalışılan model organizma (kutuya bakınız) ile çığır açan ve Nobel Ödülü kazanmış keşifler ortaya çıkmıştır ve 50 yıldan fazla bir süredir normal ve kanserli hücrelerin nasıl büyüyüp bölündüklerine yönelik bilgilerimize katkı sağlamaktadır..

Yararsız ve istenmeyen bir yerde biten bir otun insandaki dengi, kanser olup burada anormal kontrol dışı hücre büyümesi yanlış yerde ortaya çıkar. Hücrenin DNA’sında mutasyon olarak bilinen bir seri değişikliğin zamanla birikmesi sonucu oluşur. Bu mutasyonlar hücre büyümesini hızlandırabilir ve hücreyi yoğun halde bölünmeye sevk ederek sonunda yakındaki doku ve organları işgal edip hasara yol açan tümörlere sebep olabilir. Bu mutasyonların kansere nasıl neden olduğunu anlamak için öncelikle hücrelerin normal şartlarda nasıl çalıştıklarını anlamakla mümkündür.

 

Model organizmalar

Özelikle hücresel seviyede, çoğu basit yaşam süreci neredeyse tüm canlılar için aynıdır. Bu; bilim adamlarının meyve sineği, zebra balığı, fare veya hatta maya gibi organizmaları kullanarak hücre büyümesi ve gelişiminin temellerini çalışabilecekleri ve bu bilgileri insanlara uygulayabilecekleri anlamına gelmektedir. Bazı türlerin özellikle araştırma için uygunluğu kanıtlanmış ve model organizmalar olarak bilinegelmişlerdir.

Bu organizmalar genellikle küçük, dayanıklı, bakılması kolay ve kısa hayat döngülerine sahiptir. S. pombe özellikle kullanışlı bir model organizmadır çünkü:

  • Tek bir hücre olup sadece 5000 geni bulunmaktadır (20 000 gen içeren insan hücreleriyle kıyaslanırsa);
  • Genomu kolay manipüle edilebilir. Yani, genler eklenebilir, mutasyona uğratılabilir ve çıkartılabilir. Ayrıca flöresan belirteçlerle işaretlenerek özel mikroskoplarla proteinlerinin görüntülenmesi sağlanabilir;
  • Genom genellikle haploittir (her kromozomun sadece bir tek kopyası vardır). Bu, genetik değişikliklerin fenotipte ifade edileceği, başka bir genle maskelenemeyeceği anlamına gelir;
  • Hücre döngüsü basittir ve sadece hücreye bakarak hangi aşamada olduğu kolayca anlaşılabilir;
  • S. pombe’deki çoğu gen insan hücrelerindekilere benzer;
  • Hücreler çabuk, ucuz ve kolaylıkla büyütülebilir ve –80 °C’de uzun yıllar saklanabilirler.

 

İnsan hücreleri maalesef hücre döngüsü araştırmaları için ideal değildir. İnsan genomu, çoğu birden fazla fonksiyona sahip yaklaşık 20 000 gen içerir. Ayrıca, insan hücrelerini ve DNA’sını laboratuarda manipüle etmek zor olabilir ve bir genin bu yolla fonksiyonunun ortaya çıkartılması aldatıcı olabilir. S. pombe has mayası böyle durumlar için bir çözüm sunar. Fizyon mayası (bölünerek çoğalan) olarak da bilinen bu tek hücreli organizma 4 μm genişliğinde ve 14 μm uzunluğundadır ve yaklaşık 5000 gene sahiptir.

S. pombe ilk kez 1893 yılında mayayı Doğu Afrika darı birasında keşfeden Alman bilim adamı Paul Lindner tarafından keşfedilmiştir. Bundan dolayı, Svahili dilinde bira anlamına gelen pombe ismini vermiştir. Araştırmacılar S. pombe’nin genetiğini ve hücre döngüsünü 1950’lerde çalışmaya başladı. Bu canlı, pek çok özelliğinden dolayı araştırma için idealdir: yetiştirmesi kolaydır ve patojenik değildir, hücreleri bir mikroskop altında kolayca görülecek büyüklüktedir, sadece üç kromozom içerir ve her 2-4 saatte bir bölünür (kutuya bakınız).

S. pombe‘nin model organizma olarak ele alınmasının ana sebebi bazı genlerinin tamamen çıkarılması ve yeni DNA’nın katılmasına imkan tanıması ve böylece genomunun manipülasyonundaki kolaylıktır.

Bilim adamları bu genetiği değiştirilmiş hücreleri çoğaltabilir ve ortaya çıkan fenotip (organizmanın gözlemlenen karakteristikleri) değiştirilmiş genin fonksiyonunu anlamada yardımcı olur. S. pombe hücreleri ayrıca haploittir yani her genin sadece bir kopyası vardır. Bu onları gen fonksiyonuna bakmada daha kolay hale getirir. Diploid bir hücrede (her genin iki kopyasının olduğu için) fenotipe bir anlam yüklenmesi için bir genin her iki kopyasının da değişmesi gerektiğinden bu durumun elde edilmesi daha zordur. S. pombe’deki gibi, bir genin sadece tek bir kopyasının olması bu işlemi kolaylaştırır.

Ayrıca, S. pombe çok iyi karakterize edilmiş bir hücre döngüsüne sahiptir ve onun her zaman çubuk şeklinde olan yapısı, hücre büyüme ve bölünmesinin çalışılması için idealdir. Hücreler çubuk şekillerini devam ettirirler ve belli bir hücre uzunluğuna erişinceye kadar uçlardan uzamaya devam ederler. DNA replike olur ve genomun bir kopyası hücrenin iki yarısına hareket eder. Daha sonra, bir bölme (flöresan boyayla parlak bir şekilde boyanır) hücrenin ortasında oluşur ve hücre bölünür (Şekil 1’e bakınız). Büyüme koşulları uygun olduğu sürece (örn., bol miktarda besin varsa), bu döngü her hücrenin büyüyüp bölünmesi ve iki yavru hücreyi ortaya çıkarması şeklinde devam eder.

Şekil1. Hücre döngüsü: a) Maya hücre duvarlarına bağlanan bir flöresan boya olan calcofluor ile boyanan S. Pombe hücrelerinin mikroskobik görüntüsü. Hücreler DNA’larını replike ederler ve ortadan bir bölmenin oluşup hücreyi böldüğü kritik bir uzunluğa ulaşana kadar büyürler. b)S. pombe’nin hücre döngüsünün G1 (ara faz 1), S (DNA replikasyonu), G2 (ara faz 2) ve M (mitoz) aşamaları. Bir S. pombe hücresinin içinde olduğu aşama hücre uzunluğunun ölçülmesiyle tahmin edilebilir.
Resim Louise Weston’un izniyle

1970’lerde Paul Nurse ve çalışma arkadaşları hücre döngüsü bakımından mutantS. pombe’leri izole ve karakterize etmeye başardılar. Bu çalışma daha sonra 2001 yılında Nobel Ödülü kazandı. Başlangıçta bu bilim adamları hücre ölümündeki veya bölünmenin başarısızlığına yol açan olağan dışı şekilde uzamış hücrelerdeki genetik değişiklikleri aradılar (Nurse ve ark., 1976). Şekil 2(b) cdc (hücre bölünme döngüsü) olarak adlandırılan bir genin inhibisyonunu takiben hücre bölünmesinin başarısız olduğu uzamış hücreleri göstermektedir.

Şekil 2: cdc25 geninde sıcaklığa duyarlı mutasyon taşıyan S. pombe hücreleri normal büyüyebilir (a), fakat belirli bir sıcaklıkta uzayıp büyüdüklerinde bölünmelerinde başarısızdırlar (b). cdc25 geni hücre döngüsü boyunca ilerlemeyi kontrol eden bir protein kodlar. cdc25’i inhibe etmek hücreleri G2 fazında durdurup mitozla birlikte bölünmeye girmeyi olanaksız hale getirmek demektir (bakınız şekil 1).
Image courtesy of Louise Weston

Model organizmaların yayarı, insanlardaki benzer süreçleri anlamamıza sundukları katkıdan dolayı daha iyi anlaşılmıştır. S. pombe’de bulunan ve DNA hasar ve tamiri, hücre döngüsü ve döngü kontrol noktalarında işlevi olan insan genleri ile benzerlik taşımaktadır. Örneğin, S. pombe’deki cdc2 geni tanımlandıktan sonra, Nurse ve çalışma arkadaşları insanlardaki ilgili gen olan cdk1’i (siklin bağımlı kinaz 1) bulmaya yöneldiler (Lee & Nurse, 1987). Bu gen, insanlardaki hücre bölünmesini başlatıcı ve düzenleyici bir protein kodlamaktadır. Bu gendeki mutasyonlar, planlanmamış hücre bölünmesine tetikleyebilirken, kromozom duplikasyonu veya delesyonları kansere yol açabilir. Bugün, insan kanser tedavilerinde seçici CDK inhibisyonunun iyileştirici yararları çalışılmaktadır. Kanser dışında, S. pombe’deki en az 50 genin benzeri kisitk fibroz, kalıtsal sağırlık ve tip 2 diyabet gibi insan hastalıklarıyla ilişkilidir.

Fizyon mayasının içinin
mimari planı. Hala bu
mantarın içiyle ilgili
anlaşılması gereken çok şey
vardır.

Resim Johanna Höög, EMBL
izniyle

S. pombe araştırmalar için o kadar önemlidir ki, 2002’de tüm genom sekansı yayınlanan altıncı ökaryotik organizma olmuştur. Bu durum, S. pombe çalışmak için daha çok araç geliştirilmesine yol açtı. Örneğin, her birinde mayanın temel fonksiyonu olmayan genlerinden birinin eksik olduğu S. pombe’nin 3308 soyunun bir kütüphanesi yaratıldı. Ayrıca, S. pombe’deki her protein yeşil flöresan proteinle (ultraviyole ışık altında parlayan) işaretlenerek, bir flöresan mikroskobuyla hücrede içindeki tam yerinin gözlemlenmesi sağlandı. Bu araçlar S. pombe’yi gen fonksiyonunun incelenmesi için daha uygun model organizma yapacaktır (Yanagida, 2002).

Bugün hala büyüme ve hücre bölünmesinin kontrolü gibi süreçleri tam olarak bilmiyoruz ve hücre büyümesi üzerindeki ana kontroller konusunda ise bilgimiz azdır. Sağlıklı gelişimimiz için önemli olan karmaşık süreçlerin yanında kanser gibi hastalıkların gelişimi hakkında da bu basit tek hücreli organizmadan öğreneceğimiz çok şey var.

Download

Download this article as a PDF

References

Resources

  • S. pombe hakkında daha fazla bilgi ve bilimsel araştırmada nasıl kullanılabileceğini görmek için Kaliforniya’daki Forsbug Lab tarafından yaratılmış bir kaynak olanPombeNet‘i ziyaret edin
  • The Cancer Research UK web sayfası tüm ana kanserler ve şu anki araştırmalar hakkında erişilebilir bilgi sunmaktadır.
  • Genetik mutasyonların hastalıklara nasıl yol açtığı hakkında daha fazla bilgi için bakınız:
  • Kanser olasılığını da dahil ederek genlerinizin sizin için ne sakladığını anlayacak bir sınıf aktivitesiiçin bakınız:

Author(s)

Louise Weston doktorasını Birleşik Krallık’taki University of Oxford’da insan kanser hücrelerindeki hücre göçünü araştırarak tamamladı. Şu anda S. pombe’nin hücre büyüme kontrolünü araştırdığı doktora sonrası çalışmasını, Birleşik Krallık Kanser Araştırmaları’nda devem ettirmektedir.


Review

Mayalar ve mantarlar bizimledir, içimizdedir ve tüm çevremizdedir. Öğrenciler okulda onları öğrenmelidirler. Ders kitapları mantar büyütmenin güvenli yapılmasını tavsiye ediyorlar fakat genellikle bunu gerçekleştirmek için detaylı deneysel prosedürleri ne yazık ki vermiyorlar. Günlük besin korunmasındaki ve üretimindeki mantar kullanımıyla başlamak öğrencilerin konuya ilgisini ateşleyecektir. (Petri kapları kapalı olsa bile öğretmenler küfün kullanıldığı pratiklerden kaçınmalıdırlar.)

İyi tanımlanmış bir deneyde güvenli bir maya soyu kullanmak (örneğin; mayayla kabartmak, yiyecekleri fermente etmek veya bira ya da şarap mayalamak) herhangi bir biyoloji öğretmenini bu yönde cesaretlendirmelidir. Böylece öğrencilere iyi laboratuvar alışkanlıklarını öğrenmelerinin yanında, önemle takip edilmesi gereken kesin prosedürlere neden ihtiyaç olduğunu anlamaları ve bir sonuç çıkarmadan önce doğru biçimde kayıt etmeleri sağlanmalıdır. Bu, öğrencilere bilimsel bir rapor için örnek olacak olan makaleyi sunmadan önce, bilimsel pratiğin öğretilmesini gerektirir. Açıklanan model organizma kullanılarak, sunulan gerçekler sanal planlanmış deneylere yönlenebilir. Raporun bitmesiyle oluşan sorular, sınıftaki başka araştırma ve tartışmalar için daha çok hipotez yaratacaktır.


Friedlinde Krotscheck, Almanya




License

CC-BY-NC-ND