Diamidofosfat (DAP)’dan DNA’ya Doğru

(Bu yazı GENÇ İVEK SAĞLIK BİLİM VE TEKNOLOJİLERİ DERGİSİ’nin 8. sayısında yayımlanmıştır.)

BERRANUR SERT
Gebze Teknik Üniversitesi
Genetik ve Moleküler Biyoloji Bölümü Lisans Öğrencisi

Deoksiribo Nükleik Asit (DNA), organizmalar ve bazı virüslerin canlılık işlevleri ve biyolojik gelişmeleri için gerekli olan genetik talimatları taşıyan bir nükleik asittir. DNA, ökaryotlarda doğrusal olarak bulunurken, prokaryotlarda ise dairesel olarak bulunur. Bir hücredeki kromozomlar kümesine onun genomu denir; insan genomu 46 kromozom içinde yer alan yaklaşık 3 milyar baz çiftinden oluşur. Protein ve diğer işlevsel RNA moleküllerini kodlayan bilgigen adı verilen DNA parçalarının dizisinde yer alır. DNA’nın genetik bilgiyi taşıması, çeşitli biyokimyasal ve metabolik olayları kontrol etmesi gibi görevleri sahiptir. DNA’nın bunlar dışındaki görevleri ve bağlantılı olduğu yerler gün geçtikçe bilim insanları tarafından keşfedilmeye devam etmektedir. Bu yazıda ise bu kadar eşsiz olan DNA molekülünün hangi alan ve çalışmalarda yer aldığını anlatacağız.

Bilim insanları tarafından yapılan keşif, Dünya’daki yaşamın RNA-DNA karışımından doğduğu teorisini güçlendiriyor:
“Angewandte Chemie” dergisinde yayınlanan bir çalışmada, hayatın ortaya çıkmasından önce varolan diamidofosfat (DAP) adı verilen basit bir bileşiğin, deoksinükleositler adı verilen minik DNA yapı taşlarını kimyasal olarak birbirine ilkel DNA zincirleri halinde kenetlenmiş olabileceğini gösterdiler. Kimyagerler son birkaç yılda DNA ve RNA’nın benzer kimyasal reaksiyonların ürünleri olarak birlikte ortaya çıkma olasılığına ve kendi kendini kopyalayan ilk moleküllerin ikisinin karışımı olduğunu bulmuşlardı. Yapılan bu çalışmadaki keşfin, kimya ve biyolojide yeni pratik uygulamalara yol açabileceği düşünülüyor. Bilim insanlarına göre bu çalışmanın asıl önemi, Dünya’daki yaşamın ilk olarak nasıl ortaya çıktığına dair asırlık bir soruyu ele alması olmuştur. Özellikle, kendi kendini kopyalayan DNA-RNA karışımlarının nasıl evrimleşip ilkel dünya’ya yayılmış olduğunu ve nihayetinde modern organizmaların biyolojisini etkilemiş olabileceğine dair daha kapsamlı çalışmaların yolunu açıyor. Bu bulgu ayrıca, son on yılda hakim olan “RNA Dünyası” hipotezinden uzaklaşıyor. Çünkü bu hipotez ilk kopyalayıcıların RNA temelli olduğunu fakat DNA’nın daha sonra RNA yaşam formlarının bir ürünü olarak ortaya çıktığını öne sürüyordu. Oysa bu çalışma, dünya’daki yaşamın RNA-DNA karışımından ortaya çıktığı teorisini güçlendiriyor.

Bilim İnsanları tarafından İlk Kez İzlenen Dörtlü Sarmal DNA Yapısı:
2020 yılındaki ilginç bir haber; bilim insanlarının dört sarmallı DNA oluşumunu canlı insan hücrelerinde izlemesi ve çalışması ve aynı zamanda kanserdeki olası rolünü incelemeleri hakkındaydı. 1953 yılında keşfedilen DNA bildiğimiz gibi çift sarmal şeklindedir. DNA çift sarmalı birbiriyle baz eşleşmesi yapan nükleotitler tarafından bir arada tutulan iki nükleik asit molekülüdür. Bilim insanları DNA G-quadruplexes (G4s) adını verdikleri dörtlü sarmal yapıları daha önce hücrelerde tespit etmişlerdi. Bununla birlikte, kullanılan teknik, ya hücrelerin öldürülmesini ya da G4 oluşumunu görselleştirmek için yüksek konsantrasyonlarda kimyasal probların kullanılmasını gerektirdiğinden, normal koşullar altında canlı hücrelerdeki gerçek varlıkları şimdiye kadar izlenmemişti. Cambridge Üniversitesi, Imperial College London ve Leeds Üniversitesi’nden bir araştırma ekibi, canlı insan hücrelerinde G4’lere bağlanabilen ve yapının nasıl oluştuğunu ve hangi rolü oynadığını ilk kez görmelerini sağlayan bir floresan işaretleyici icat ettiler. G4’lerin kansere karışan genlerle daha sık ilişkili olduğu ve kanser hücrelerinde daha fazla sayıda tespit edildiği görülmektedir. Çalışmaları Nature dergisinde yayınlanan ekip, artık tek seferde tek bir G4 görüntüleyebilme becerisiyle, belirli genler içindeki rollerini ve bunların kanserde nasıl ifade edildiğini izleyebileceklerini söylüyor. Bu temel bilgi, süreci kesintiye uğratan ilaçlar için yeni hedefler ortaya çıkarabilir. Araştırma ekibi ayrıca,  G4’lerin yalnızca belirli bir işlevi yerine getirmek için oluştuklarını ve potansiyel olarak çok uzun sürdükleri takdirde normal hücre süreçleri için toksik olabileceklerini öne sürerek çok hızlı oluşup dağıldığını da gösterebildiler.

Hastalıklar için yeni tedavi yolları:  DNA tabanlı tedaviler

2020’nin sonlarına doğru Minnesota Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, hastalıkları azaltmak amacıyla DNA ve RNA tabanlı tedaviler sunmak için yeni bir polimer oluşturdular. Araştırmacılar, endüstride ilk kez, ilaçları vücuda verirken polimerlerin insan hücreleriyle nasıl etkileşime girdiğini tam olarak görebildiler. Bu keşif, gen tedavisi ve aşı geliştirme gibi uygulamalarda polimerlerin daha yaygın kullanımına kapı açmaktadır. Polimer bazlı ilaç, özellikle tek bir enjeksiyon için 2 milyon dolara kadar mal olabilen gen terapisi için virüs kullanmaktan çok daha ucuzdur. Bununla birlikte, yaygın polimer kullanımını engelleyen ana engel ise, bilim insanlarının polimer paketin vücuttaki hücrelerle gerçekte nasıl etkileşime girdiği hakkında pek bir şey bilmemeleriydi. Yapılan bu araştırma, bu belirsizliği gidermeye yardımcı oluyor. Araştırmacılar, Raman spektroskopisini kullanarak, bir hücrenin kendi proteinlerinin, polimer taşıyıcı hücreye girdikten sonra nükleik asit yükünün paketini açmada önemli bir rol oynadığını da keşfettiler.

DNA ile ilgili yapılan çalışmalardan bir diğeri de DNA hasarıyla ilgili çalışmalardır. DNA hasarı, DNA kopyalandığında kendi başına kopyalanmayan, DNA’nın temel yapısındaki bir değişikliktir. Bir DNA hasarı, bir DNA bazına kimyasal bir ekleme veya bozulma (anormal bir nükleotit veya nükleotit parçası oluşturma) veya DNA zincirlerinin bir veya her iki zincirinde bir kırılma olabilir. Hücrelerimizdeki bir onarım sistemi, güneşten gelen ultraviyole (UV) ışığa maruz kalmanın neden olduğu DNA hasarını düzeltir, ancak bunun ardındaki ayrıntılı süreç tam olarak anlaşılamamıştır. Kobe Üniversitesi (Japonya), Ulusal Sağlık Bilimleri Enstitüsü (Japonya), Louvain Katolik Üniversitesi (Belçika), Kyoto Üniversitesi (Japonya) ve Ulusal Genetik Enstitüsü’ndeki (Japonya) araştırmacılarından oluşan uluslararası bir araştırma ekibi, ultraviyole (UV) ışıktan zarar görmüş DNA’yı tanıma ve onarmada ubikuitin-proteazom sisteminin düzenleyici mekanizmasını açığa kavuşturdu. Kseroderma pigmentozum (Xeroderma pigmentosum (XP))  hastaları bu onarım sistemindeki bozuklukla doğarlar, bu da vücutlarının UV ışığının neden olduğu DNA hasarını yeterince onaramadığı anlamına gelir. Sonuç olarak, güneşe maruz kalan bölgelerde cilt kanseri geliştirmeye yatkındırlar. Araştırmacılar bu çalışmada, UV ışığı uyarımı yoluyla herhangi bir hücre içi konuma DNA hasarını indükleyebilecekleri ve hücresel tepkileri gerçek zamanlı olarak gözlemleyebilecekleri bir mikroskop sistemi geliştirdiler. Protein bozunmasını (degradation) içeren çok proteinli bir kompleks olan proteazomun, UV ışığının neden olduğu DNA hasarının olduğu bölgelerde hızla biriktiğini gözlemlediler. Ayrıca bu çalışmada, proteazomun enzimatik aktivitesinin ve yapısal bütünlüğünün, DDB2 proteinlerinin aracılık ettiği DNA hasarı tanıma yolu için hayati önem taşıdığını aydınlatmıştır. (DDB2 genindeki mutasyon, genetik bozukluk olan xeroderma pigmentosum’da meydana gelir.) Bu sonuçlar, ilk kez proteazomların protein parçalanma aktivitesinin ve mimari bütünlüğün, DDB2 proteini aracılı DNA hasar onarımının ayrı mekanizmalar yoluyla düzenlenmesinde rol oynadığını ortaya koydu. Bu yeni keşif sayesinde, cilt kanseri gibi hastalıkların başlangıç mekanizmalarının aydınlatılmasına katkıda bulunacağı düşünülüyor.

DNA Teknolojik Gelişmelerde Nasıl Kullanılabilir?

DNA’nın teknolojik gelişmelerdeki etkisine baktığımızda karşımıza Cold Spring Harbor Laboratuvarı’ndaki bilim insanlarının geliştirdiği, iGenomics adlı yeni bir mobil uygulaması olan dünyanın ilk mobil genom sekans analizörü geliyor. İGenomics uygulaması tamamen iOS cihaz üzerinde çalışarak sahadaki dizüstü bilgisayar veya büyük ekipman ihtiyacını azaltıyor ve bu da pandemi ve ekoloji çalışanları için yararlıdır. Bu uygulamanın, sekiz yıllık bir süre boyunca programlanmış olması da ilginç olan ayrı bir yönüdür. Kullanıcılar, AirDrop verilerini birbirlerine sıralayabilir ve en uzak konumlarda, hatta internet erişimi olmayanlarda bile DNA analizini etkinleştirebilir. Araştırmacılar, iGenomics’in yakında astronotların eline geçebileceğini açıklıyor. “Gigascience” dergisinde yayınlanan bu çalışmada, araştırmacılar, iGenomics algoritmasının grip virüsü veya Zika virüsü gibi viral patojenlerin DNA dizilerini hızlı bir şekilde haritalayabildiğini, teşhis ve tedavi için önemli olan mutasyonları belirleyebileceğini bildirdi. Ayrıca, SARS-CoV-2 hastasından alınan gibi diğer viral genomları analiz etmek için çevrimiçi bir eğitim sağlıyor.

Nature’da yayınlanan bir diğer çalışmada ise Alberta Üniversitesi biyologları, dairesel DNA’yı dizilemenin yeni bir yolunu keşfettiler. CIDER-Seq adı verilen aracı kullanan yöntem, bakteri ve virüslerin genomlarının yanı sıra memeliler ve bitkilerdeki kromozom dışı dairesel DNA hakkında bilgi sağlayacak. Dairesel DNA zenginleştirme sıralaması (Circular DNA enrichment sequencing, CIDER-Seq), polimeraz zincir reaksiyon amplifikasyonu, klonlama ve hesaplamalı sekans montajına gerek kalmadan dairesel DNA’yı zenginleştiren ve doğru bir şekilde sıralayan bir tekniktir. Yöntem rastgele hazırlanmış dairesel DNA amplifikasyonuna dayanır, bunu birkaç enzimatik DNA onarım adımı ve ardından uzun okunan dizileme izler. CIDER-Seq, PacBio adı verilen DNA sıralama teknolojisini kullanır. Yöntem, bir web laboratuvarı protokolünün yanı sıra yeni bir hesaplama hattı içerir. Hem viral genomları hem de eccDNA’yı incelemek için optimize edilmiştir ve çevrimiçi olarak diğer bilim adamları için erişilebilir hale getirilmiştir.

2021’in başlarında araştırmacılar “Nature Genetics” dergisindeki çalışmada bazı tek yumurta ikizlerinin aynı DNA’yı paylaşmadığını gösterdiler. DNA ile ilgili yapılan gelişmelere baktığımızda, başta temel bilimler başta olmak üzere son dönem teknolojileri, çeşitli hastalıklar için yeni tedaviler gibi birçok alanı etkilediğini ve ilerleyen yıllarda da etkileyeceğini görüyoruz. Teknolojik gelişmelerde bahsettiğimiz DNA sekanslama teknolojilerinin COVID-19 virüsünün de izlenmesine yardımcı olabileceği düşünülüyor. Ayrıca önümüzdeki birkaç yıl içinde herkesin akıllı telefonlarında kendi DNA sekanslayıcılarını taşıdığını hayal etmenin zor olmayacağını söylüyorlar. Bilim insanları DNA’nın bilinen iki sarmallı yapısından farklı olarak bulunan dört sarmallı yapının özelliklerini iyileştirmek ve yeni biyolojik sorunları keşfetmek için birlikte çalışmaya devam etmeyi ve G-dörtlülerin canlı hücrelerimizde oynadığı rollere daha fazla ışık tutmayı amaçlıyor. Tüm bu gelişmeler, DNA molekülünü 2021 yılında ve gelecek yıllarda da bekleyen birçok gelişme olacağının ön bilgisini bizlere veriyor.

KAYNAKLAR: