DNA Onarımı - Yaşam İçin Kimyasal Denge Sağlar

Bir kuşaktan diğerine, bir hücreden diğerine. İnsanoğlunun şekillendirilmesini yöneten genetik bilgi yüz binlerce yıl boyunca bedenlerimize borçludur.

Çevreden sürekli saldırılara maruz kalır, ancak şaşırtıcı derecede bozulmadan devam eder. Tomas Lindahl, Paul Modrich ve Aziz Sancar'a, 2015'te Kimya Nobel Ödülü verildi ve hücrenin DNA'sını nasıl onaracağını ve genetik bilgiyi nasıl koruduğunu açıkladılar.

Kim olduğunuz, bir spermden gelen 23 kromozoma bir yumurtadan alınan 23 kromozom ile birleştirildiğinde oluşturulur. Genomunuzun genetik materyalinin orijinal versiyonunu birlikte oluşturdular. Sizi yaratmak için gereken tüm genetik bilgiler o füzyonda mevcuttur. Biri bu hücreden DNA moleküllerini çıkardı ve sıraya koyduysa, iki metre uzunluğunda olurdu.

Döllenmiş yumurta daha sonra bölündüğünde DNA molekülleri kopyalanmış ve yavru hücre de tam bir kromozom sayısı elde edilmiş olur. Bundan sonra, hücreler tekrar bölünürler; iki dört, dört sekiz olur. İlk haftadan sonra her biri kendi genetik materyal kümesine sahip 128 hücre oluşturdunuz. DNA'nızın toplam uzunluğu 300 metreye yaklaşmaya başlar.

Bugün - milyarlarca hücre bölünmesi sonrası - DNA'nız 250 kez güneşin etrafını dolanır. Genetik materyaliniz o kadar çok kopyalanmış olsa da, en son kopya, bir zamanlar döllenen yumurtada yaratılan orijinal dokümana çok benzer. Bu hayatın moleküllerinin büyüklüğünü gösterir, çünkü kimyasal bir perspektiften bu mümkün olmamalı. Tüm kimyasal işlemler rastgele hatalara eğilimli. Buna ek olarak, DNA'nız her gün zararlı radyasyona ve reaktif moleküllere maruz kalır. Aslında, fetusa bile başlamadan çok önce kimyasal bir kaos olmalısınız.

DNA'nız Bir Sürü Protein Tarafından İzlenir

DNA, bir dizi moleküler tamir mekanizması nedeniyle her yıl şaşırtıcı bir şekilde bozulmadan kalır: genleri izleyen bir protein yığını. Genomu sürekli olarak yazım hatalarını okur ve meydana gelen hasarları onarırlar. 2015 Kimya Nobel Ödülü, moleküler düzeyde bu temel süreçleri haritalamaktan dolayı Tomas Lindahl, Paul Modrich ve Aziz Sancar'a verildi. Sistematik çalışmaları, yaşayan hücrenin nasıl çalıştığının yanı sıra çeşitli kalıtsal hastalıkların moleküler nedenleri ve hem kanser gelişiminin hem de yaşlanmanın arkasındaki mekanizmalar hakkında bilgi sağlama konusunda belirleyici bir katkı sağlamıştır.

Tomas Lindahl, Paul Modrich ve Aziz Sancar, birbirlerinden bağımsız olarak, DNA onarımı için insanlarla alâkalı çeşitli işlemleri haritaladılar. Hikaye, Alfred Nobel ile aynı ülkede dünyaya gelen Tomas Lindahl ile başlar.

HAYAT VAR - DNA’NIN ONARILMASI GEREKİR

Tomas Lindahl, "DNA ne kadar kararlı?" 1960'ların sonlarına doğru merak etmeye başladı. O dönemde, bilim camiası, DNA molekülünün - tüm yaşamın temeli - son derece dirençli olduğuna inanıyordu; Farklı bir şey söz konusu değildi. Evrim mutasyonları gerektirmez, ancak kuşak başına sadece sınırlı sayıdadır. Genetik bilgi çok istikrarsızsa, çok hücreli organizmalar bulunmazdı.

Tomas Lindahl, Princeton Üniversitesi'nden postdoktora sırasında ABD'ye DNA moleküler kuzeni olan RNA molekülü üzerinde çalıştı. İyi gitmedi. Deneyinde RNA'yı ısıtmak zorunda kaldı, ancak bu kaçınılmaz olarak moleküllerin hızlı bozulmasına yol açtı. RNA'nın DNA'dan daha hassas olduğu biliniyordu, ancak eğer ısıya maruz bırakıldığında RNA çok çabuk yok olsaydı, DNA molekülleri gerçekten ömür boyu stabil olurlar mıydı? Bu soru Lindahl'ın aklında kaldı.

O sorunun cevabını aramaya birkaç yıl önce başlamış olurdu ve o zamana kadar İsveç'e ve Stockhold'deki Karolinska Enstitü'süne döndü. Bazı basit deneyler şüphelerinin doğru olduğunu kanıtladı: DNA yavaş ama gözle görülür bir bozulmaya uğradı. Lindahl, her gün genoma binlerce, muhtemelen yıkıcı yaralanma olduğunu tahmin ediyordu ki bu dünya üzerinde insan varlığıyla açıkça uyuşmayan bir frekanstı. Sonuç olarak, tüm bu DNA kusurlarını onarmak için moleküler sistemler olmalıdır ve bu düşünceyle Tomas Lindahl tamamen yeni bir araştırma alanına kapı açtı.

ÖZEL ENZİMLER DNA HASARINI GİDERİR

İnsan DNA’sı gi bakteriye ait DNA'nın kullanımı adenin, guanin, sitozin ve timin bazılarını içerir, Tomas Lindahl enzimlerin onarımını araştırmaya başladı. DNA'daki bir kimyasal zayıflık, genetik bilginin değişimine neden olan sitozinin kolayca amino grubunu kaybetmesidir. DNA'nın çift sarmalında, sitozin daima guanin ile çiftleşir, ancak amino grubu kaybolduğunda hasar gören kalıntılar adenin ile çiftleşme eğilimi gösterir. Bu nedenle, bu kusurun devam etmesine izin verilirse, bir dahaki sefer DNA kopyalanırken bir mutasyon meydana gelecektir. Lindahl, hücrenin buna karşı bir koruma gerektiğini fark etti ve DNA'dan hasar gören sitozin kalıntılarını uzaklaştıran bir bakteri enzimi tespit edebildi. 1974'te bulgularını yayınladı.

TOMAS LINDAHL, TEMEL EKZİSYON ONARIMI PARÇALARINIBİR ARAYA GETİRİYOR

Bu, 35 yıllık başarılı çalışmanın başlangıcıydı ve Tomas Lindahl, DNA onarımı için hücrenin içindeki birçok proteini buldu ve inceledi. 1980'lerin başında bir ilişki, onu Büyük Britanya'ya götürdü ve burada Londra'daki İmparatorluk Kanseri Araştırma Fonu'nda göreve başladı. 1986'da yeni kurulan Clare Hall Laboratuvar’ ının müdürlüğüne atandı, ardından bilimsel yaratıcılığıyla tanınan yönetmen oldu. Lindahl, DNA tamir işleminin ilk basamağı olan bitki eksizyon tamir işlevleri, yani glikosilazlar, 1974'te bulduğu enzimlere benzer şekilde nasıl bir moleküler görüntü oluşturduğunu ortaya çıkardı. Temel eksizyon tamiri insanlarda da meydana gelir ve 1996'da Tomas Lindahl ‘in vitro' insan onarım sürecini yeniden oluşturmayı başarmıştır.

Tomas Lindahl'ın belirleyici faktörü, molekülün hücrenin koruyucu ortamında bulunduğu zaman bile DNA'nın kaçınılmaz olarak değiştiğinin farkına varılmasıydı. Bununla birlikte, DNA'nın UV radyasyonu gibi çevresel saldırılardan zarar görmesi uzun zamandır bilinmektedir. Çoğu hücrenin UV hasarını onarmak için kullanılan mekanizma, nükleotid eksizyon tamiri, Savur doğumlu ve profesyonel olarak ABD'de faaliyet gösteren Aziz Sancar tarafından haritalandı.

Bir Doktor Olarak Biyokimya Hayata Tercih Edilebilir

Aziz Sancar'ın hayatı ile olan ilgisini İstanbul'da tıp fakültesinde öğrenim görürken gelişti. Mezun olduktan sonra, birkaç yıl Türk kırsalında hekim olarak çalıştı, ancak 1973'te biyokimya okumaya karar verdi. İlgi alanları bir olguda görüldü: bakteriler ölümcül UV radyasyon dozlarına maruz kaldığında, görünür mavi ışıkla aydınlatıldıklarında aniden iyileşebilirler. Sancar; Kimyasal olarak nasıl işlev gördüğünü merak ediyordu.

Amerikalı Claud Rupert bu olayı incelemiş ve Aziz Sancar, ABD, Dallas'daki Texas Üniversitesi'ndeki laboratuvarına katılmıştır. O dönemin moleküler biyoloji için körelmiş araçlarını kullanarak 1976'da UV ile hasar görmüş DNA, fotolizazı tamir eden enzimin genini kopyalamayı başarmış ve ayrıca bakteri enzimi fazla üretmeye başlamıştır. Bu çalışma doktora tezi oldu, fakat insanlar pek etkilenmediler; Doktora sonrası görevler için yapılan üç başvuru, birçok reddetme ile sonuçlandı. Fotolizazı üzerine yaptığı çalışmalar rafa kaldırılmalıydı. DNA onarımı üzerine çalışmaya devam etmek için Aziz Sancar, alanında lider bir kurum olan Yale Üniversitesi Tıp Fakültesi'nde laboratuar teknisyeni olarak göreve başladı ve burada kimya alanında Nobel Ödülüyle sonuçlanacak olan çalışmaya adım attı.

Aziz Sancar - hücrelerin UV hasarını nasıl onaracağını araştırıyor

O zamana kadar bakterilerin UV hasarını onarmak için iki sisteme sahip oldukları açıktı: ışığa bağımlı fotolizere ek olarak, karanlıkta işlev gören ikinci bir sistem keşfedildi. Aziz Sancar'ın Yale'deki yeni meslektaşları 1960'lı yılların ortalarından beri uvrA, uvrB ve uvrC gibi üç farklı genetik mutasyonu taşıyan üç UV'ye hassas bakteri kullanarak bu karanlık sistemi inceledi.

Sancar, fotolizaz üzerine yaptığı daha önceki çalışmalarında olduğu gibi, karanlık sistemin moleküler mekanizmasını araştırmaya başladı. Birkaç yıl içinde, uvrA, uvrB ve uvrC genleri tarafından kodlanan enzimleri tanımlamayı, izole etmeyi ve karakterize etmeyi başardı. Çığır açan ‘in vitro’ deneylerde, bu enzimlerin bir UV hasarını belirleyebildiğini, ardından hasar gören parçanın bir tarafında bir tane olmak üzere DNA ipliğinde iki kesi yapabileceğini gösterdi. Daha sonra yaralanma dahil olmak üzere 12-13 nükleotidden oluşan bir parça çıkarıldı.

İnsanlarda ve bakterilerde UV hasarı onarımı için benzer mekanizmalar

Aziz Sancar'ın moleküler ayrıntıları hakkında bilgi üretme kabiliyeti, araştırma alanının tamamını değiştirdi. 1983 yılında araştırmalarını yayınladı. Başarılı çalışmaları Chapel Hill'deki North Carolina Üniversitesi'nde biyokimyada doçentlik profesörlüğine önerildi. Orada ve aynı hassasiyetle, nükleotid eksizyon tamirinin bir sonraki evrelerini haritalandırdı. Tomas Lindahl'ın da aralarında bulunduğu diğer araştırmacılarla paralel olarak Sancar, insanlarda nükleotid eksizyon tamiri araştırdı. İnsan DNA'sından UV hasarını çıkaran moleküler mekanizma, bakteri karşılığından daha karmaşıktır, ancak kimyasal olarak, nükleotid eksizyon tamiri tüm organizmalarda benzer şekilde işlev görür.

Öyleyse, Sancar'ın photolyase'taki ilk ilgisine ne oldu? Eninde sonunda, bu enzime geri döndü ve bakterilerin canlandırılmasından sorumlu olan mekanizmanın ortaya çıkmasına neden oldu. Buna ek olarak, bir fotolizere eşdeğer bir insanın günlük saati ayarlamamıza yardımcı olduğunu göstermeye yardımcı oldu.

Paul Modrich'in çalışmasına dönme zamanı. Ayrıca, daha sonra zarif moleküler detaylarla şekillendirdiği bir tamir mekanizması hakkında belirsiz bir fikirle başladı.

"DNA maddesi" hakkında bilgi edinmek için öder

Paul Modrich, kuzey New Mexico, ABD'de küçük bir kasabada büyüdü. Geniş manzara çeşitliliği ilgiyi doğaya olan ilgisini artırdı ancak bir gün biyoloji öğretmeni olan babası bir gün şöyle dedi: "Bu DNA maddeleri hakkında bilgi edinmelisin.” Bu, 1963'te James Watson ve Francis Crick'in DNA yapısını keşfetmek için Nobel Ödülü verildikten sonraki yıldır.

Birkaç yıl sonra, "DNA maddeleri" gerçekten Paul Modrich'in hayatının merkezi oldu. Stanford'daki doktora öğrencisi olarak, Harvard'taki doktora sonrasındaki ve Duke Üniversitesi'nde asistan profesör olarak araştırma kariyerinin başlarında DNA'yı etkileyen bir dizi enzim incelendi: DNA ligaz, DNA polimeraz ve sınırlama enzimi Eco RI. Daha sonra 1970'lerin sonlarına doğru dikkatini Dam metalazı enzimine kaydırdığında, bilimsel hayatının büyük bir bölümünü onu işgal edecek olan "DNA maddeleri" nden daha tökezledi.

Araştırmanın İki İpliği İç İçe

Dam metilaz, metil gruplarını DNA'ya bağlar. Paul Modrich, bu metil gruplarının işaret direkleri olarak işlev gördüğünü ve belirli bir kısıtlama enziminin DNA iplikçiklerini doğru yerde kesmesine yardımcı olabileceğini gösterdi. Bununla birlikte, Harvard Üniversitesi'nden bir moleküler biyoloji uzmanı olan Matthew Meselson, birkaç yıl önce DNA'daki metil grupları için farklı bir sinyal fonksiyonu önermişti.

Bazı moleküler biyoloji sanatını kullanarak Meselson, DNA'da uyuşmayan bazı bazlarla birlikte bir bakteri virüsü inşa etmişti. Örneğin, A, T yerine C'nin karşısına yerleştirilebilir. Bu virüslerin bakterileri enfekte etmesine izin verince, bakteri uyuşmazlıklarını düzeltmiştir. Hiç kimse bu bakterilerin neden bu işlevi geliştirdiğini bilmiyordu, ancak 1976'da Meselson, diğer şeylerin yanı sıra, DNA kopyalığında bazen ortaya çıkan hatalı eşleşmeleri düzeltmek için bir onarım mekanizması olabileceğini söyledi. Bu durumda Meselson, belki de DNA üzerindeki metil grupları, bakterilerin düzeltme sırasında hangi ipliğin şablon olarak kullanılacağını belirlemesine yardımcı oldu. Yeni DNA iplikçiliği, hatalı kopyalama halen metilleştirilmemişti, nasıl tespit edilip ve düzeltilebilecekti ?

DNA'nın metillenmesinde - Paul Modrich ve Matthew Meselson birlikte çalışarak, DNA'sında bir takım uyuşmazlıklarla bir virüs yarattılar. Bu kez, Modrich'in baraj metilaz da DNA zincirlerinden birine metil grupları eklemek için kullanıldı. Bu virüsler bakteri bulaştırdığında, bakteriler metil gruplarından yoksun olan DNA iplikçiklerini sürekli olarak düzelttiler. Modrich ve Meselson'ın sonucu, DNA uyumsuzluğunun onarımı, DNA'nın kopyalanması sırasında ortaya çıkan uyumsuzlukları düzelten doğal bir işlem olup, kusurlu zinciri metilleştirilmemiş haliyle tanımaktadır.

Paul Modrich - DNA uyuşmazlığı onarımını örneklendiriyor

Paul Modrich için bu keşif, on yıl süren sistematik bir çalışmaya başladı ve uyuşmazlık onarımı sürecinde bir enzimi birbiri ardına klonlamakta ve haritalamaktadır. 1980'lerin sonlarına doğru, karmaşık moleküler tamir mekanizmasını ‘in vitro' yeniden yaratmayı ve onu ayrıntılı bir şekilde incelmeyi başardı. Bu eser 1989'da basıldı.

Paul Modrich, tıpkı Tomas Lindahl ve Aziz Sancar gibi, onarım sisteminin insan versiyonunu inceledi. Bugün insan genomunun kopyalanması sırasında ortaya çıkan bin hatadan yalnızca birinin uyuşmazlık onarılarak düzeltildiğini biliyoruz. Bununla birlikte, insan uyuşmazlığı onarımında, orijinal ipliğin nasıl tanımlandığından hâlâ emin değiliz. DNA metilasyon, genomumuzda bakterilere karşı başka işlevlere sahiptir; bu nedenle, hangi iplikçik düzeltilirse başka bir şey yönetilmelidir - ve açıklığa kavuşturulması gereken şey tam olarak budur.

Onarım sistemindeki hatalar kansere neden olur

Temel eksizyon onarımı, nükleotid eksizyon tamiri ve uyuşmazlık onarımı yanında, DNA'yı koruyan birkaç başka mekanizma vardır. Her gün, güneş, sigara dumanı veya diğer genotoksik maddelerin neden olduğu binlerce DNA hasarını düzenlerler; DNA'ya spontan değişikliklerle sürekli olarak karşı koyarlar ve her bir hücre bölünmesi için uyumsuzluk onarımı binlerce uyuşmazlığı düzeltir. Genomumuz bu tamir mekanizmaları olmadan çökecekti. Tek bir bileşen başarısız olursa, genetik bilgi hızla değişir ve kanser riski artar. Nükleotid eksizyon onarım sürecinde doğuştan gelen hasar, 'xeroderma pigmentosum' hastalığına neden olur; Bu hastalığa maruz kalan bireyler UV radyasyonuna aşırı duyarlıdır ve güneşe maruz kaldıktan sonra cilt kanseri oluşur. DNA uyuşmazlığı onarımındaki bozukluklar örneğin kalıtsal kolon kanseri geliştirme riskini arttırır.

Aslında, kanserin birçok biçiminde, bu onarım sistemlerinden bir veya daha fazlası tamamen veya kısmen kapatılmıştır. Bu, kanser hücrelerinin DNA'sını dengesiz kılar, bu da kanser hücrelerinin sıklıkla mutasyon geçirip kemoterapiye direnç göstermesinin bir nedenidir. Aynı zamanda, bu hasta hücreler halen çalışmakta olan onarım sistemlerine daha da bağımlıdır; Bunlar olmadan DNA'ları çok hasar görecek ve hücreler ölecektir. Araştırmacılar yeni zayıflıkları yeni kanser ilaçlarının geliştirilmesinde kullanmaya çalışıyorlar. Bir onarım sisteminin engellenmesi, kanserin büyümesini yavaşlatmasını veya tamamen durdurmasını sağlar. Kanser hücrelerinde bir tamir sistemini inhibe eden bir farmasötik maddeye örnek 'olaparib' tir.

Sonuç olarak, 2015 Nobel Kimya Ödülü sahibi tarafından yapılan temel araştırmamız, sadece nasıl çalıştığımıza ilişkin bilgimizi derinleştirmemiştir, aynı zamanda cankurtaran tedavilerinin geliştirilmesine de yol açabilir. Veya Paul Modrich'in ifadesiyle: "İşte bu yüzden merak odaklı araştırma çok önemlidir. Nereye götüreceğini asla bilemezsin ... Küçük bir şans da yardımcı olur. “

Kaynak: https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2015/popular-chemistryprize2015.pdf

Çeviren ve Derleyen: Batuhan Ünal

#onarımı #yaşam #için #kimyasal #denge #sağlar