İnterfaz Çekirdeğinde Kromatin Mimarisi

Giriş 19.yy’dan ve Carl Rabl’ın (1853-1917) çalışmasından bu yana, interfaz sırasında organize ve kontrollü bir kromatin mimarisinin varolup olmadığı hakkında çeşitli hipotezler ortaya atı..
Görsel Telif: © Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology

Giriş

19.yy’dan ve Carl Rabl’ın (1853-1917) çalışmasından bu yana, interfaz sırasında organize ve kontrollü bir kromatin mimarisinin varolup olmadığı hakkında çeşitli hipotezler ortaya atılmıştır; bu hipotezler, kontrollerinin yapılabileceği mevcut tekniklerin gelişmesiyle evrilmiştir. Rabl’a göre çekirdekte bölmelenme olması gerekliydi; yani her bir kromozom belirli bir alanı işgal etmeliydi. Bu hipotez, ışık mikroskopisinin tekniklerine dayanan kuramsal kavramları temel alıyordu. Optik mikroskoplar, çekirdekçik gibi yapıların tanımlanmasına olanak veriyordu ama kromatin iplikçiklerini birbirlerinden ayırabilecek çözünürlüğe sahip değildi.

İnterfaz çekirdeğine ilişkin sorular, 60’lı ve 70’li yıllarda elektron mikroskopisi ile ele alınabildi. Ulaşılan müthiş çözünürlüğe rağmen, sonuçlar hayal kırıklığı yarattı; DNA moleküllerinin mimarileri tanımlanamadı. Yaygın kanı, çekirdeğin DNA moleküllerini içeren bir zarftan ibaret olduğuydu; iplikçikler rastgele bir şekilde çözülmüş ve karışmışlardı (spagetti modeli). Yirmi yıl kadar sonra, Florasan In Situ Hibritleştirme (FISH) tekniğinin hızla gelişmesiyle, konu yeniden gündeme geldi. Yeni görüntüleme teknikleri sayesinde, nihayet çekirdek içindeki her bir DNA molekülünü ayrı ayrı görselleştirmek mümkün oldu ve Rabl’ın “kromozom bölgesi modeli” doğrulandı (bkz. Kromozom Bölgeleri: Çekirdek İçinde Kromozomların Yerleşimi).

1. İnterfaz Çekirdeğinde Kromatinin 3-Boyuttaki Organizasyonu

1.1. Kromatinin Çekirdeksel Yapılarla İlişkisi

Kromatin, çekirdeğin başlıca bileşenidir ve mikroskopi ile tanımlanan başlıca iki çekirdeksel yapı ile ilişki içindedir: çekirdeksel zar ve çekirdekçik.

a.) Çekirdekçik eskiden beri rRNA sentezinin yeri olarak tanımlanır. Çekirdeğin içindeki bu yapı, bir zarfla sınırlanmamıştır ve mitozdan sonra G1’deki yazım sırasında sayısı değişkendir (genellikle her çekirdekte 2 tane olur). Elektron mikroskopuyla görülebilen birkaç bölgeden oluşur:
– Bir veya birkaç ipliksi merkez, DNA moleküllerinden başlayan yazım bölgesine karşılık gelir.
– İpliksi merkezi çevreleyen yoğun bir ipliksi nileşen, birincil yazımları içerir.
– Çeperlerdeki daha az yoğun olan tanecikli bir bileşen, pre-ribozomun montaj alanına karşılık gelir.

O hâlde çekirdekçik, rRNA sentezi ile bağlantılı olan işlevsel bir yapıdır ve bu sentezden ayrı tutulamayan önceden belirlenmişliği yoktur. Bu sentez, genomda birkaç yüz kez tekrarlanan genlerden başlayarak yapılır ve hepsi de akrosentrik kromozomların (13, 14, 15, 21 ve 22.kromozomlar) kısa kollarında bulunur. Bu bölgelere Çekirdeksel Düzenleme Bölgeleri – ÇDB (İng. Nuclear Organizing Regions – NOR) adı verilir. Bu ÇDB’leri biraraya getirmek, yazım ve rRNA olgunlaşması için gerekli bileşenlerde çekirdekçik tesisatını (yoğunlaştırma yaparak) gerektirir. Akrosentrik kromozomların kısa kollarının fiziksel yakınlığı, mitoza kadar bir süreliğine sürdürülebilir; o noktada çeşitli akrosentrik kromozomların ÇDB’lerinin yanyana duruşları gözlemlenebilir.

b.) Çekirdek, çift zarlı bir zarfla sınırlandırılmıştır; iç ve dış çekirdeksel zarlar bulunur. İç çekirdeksel zarın iç yüzünde, lamina adı verilen keçeleşmiş iplikler bulunur. Bunlar üç temel proteinden oluşur: Lamina A, B ve C. Lamina, çekirdeksel zarf organizasyonundaki ve muhtemelen gen ifadesinin düzenlenmesindeki işlevleriyle bağlantılı olarak, iç çekirdeksel zarın proteinleriyle ve kromatinle pek çok etkileşim yapar. Gerçekten de çok sayıda yazımsal düzenleyici laminalar ile etkileşir; HP1 proteininin spesifik olarak heterokromatine tutunması gibi. Laminalar sayesinde, çekirdeksel zar heterokromatinin çekirdek içindeki organizasyonuna ve heterokromatin temasında genlerin inaktivasyonu için yeniden konumlandırılması yoluyla daha geniş çapta bölgesel kontrolüne katılabilir (bkz. Heterokromatin Kavramına Genel Bir Bakış).

1.2. Kromozom Bölgeleri Kavramı

80’lerin başında yapılan “kemirgen hücrelerinden lazer ışığının yayılımı” deneyleri sayesinde, kromozomal bölgelerin varlığını destekleyen ilk gözlemler yapıldı. Ancak her bir kromozoma özgü genetik malzemenin doğrudan görselleştirilmesini sağlayan yöntem, florasan in situ hibritleştirme tekniği oldu. Böylelikle her bir kromozomun sınırları belli birer bölgede bulunduğu, diğerleriyle karışık vaziyette olmadığı ortaya konarak, Rabl’ın düşüncesi doğrulandı.

Bu sonuçlar tüm kromozom çiftleri için gösterildi ve interfaz sırasında kromatin organizasyonunun ilk kanıtları oldu. Kromatin bölgelerinin içinde kromatin ipliği, kollara ve kromozomal bantlara karşılık gelen alt-bölgeleri tanımlamayı sağlayan bir düzeni korur. Bu bölgelerce işgal edilen yüzey, kromozom büyüklüğü ile kabaca orantılıdır ama diğer parametreler örneğin kromozomun global düzeydeki ifadelenmesini modüle edebilir. Bu kromatin bölgeleri, çekirdekçik kadar belirgin çekirdeksel bölmeler oluşturmaz, çünkü geçirgendirler.

1.3. Bölgelerin Topografisi

İnterfaz sırasında kromozomların birbirlerine göre tam ve düzenlenmiş bir yerleşimi var mıdır? Bu zor bir sorudur; kesin şekilde yanıtlanmamıştır çünkü bazıları hipotezi destekleyen, bazıları da desteklemeyen farklı hatta çelişik sonuçların raporlandığı olmuştur. İlk incelemelerin farklı hücre tiplerinde, hatta farklı canlı türlerinde gerçekleştirildiğinin altı çizilmelidir; bu da işlevsel ve/veya dokusal değişkenliğin varlığını akla getirir.

Bununla birlikte, en son elde edilen sonuçlar, interfaz sırasında kromozomal bölgelerin yerleşiminin varolduğunu, rastgelelik olmadığını doğruluyor görünmektedir. Bu yerleşim, kromozomun büyüklüğünün ve/veya içerdiği genlerin bir fonksiyonudur. Dolayısıyla, küçük kromozomların çekirdeğin içlerine, uzunların ise genellikle çeperlere doğru yerleşme eğilimleri vardır. Yine de gen içeriği de işe karışır; bu durum 18 ve 19 numaralı kromozomlar için gösterilmiştir. Büyüklükleri benzer olsa da, gen zengini 19.kromozom çekirdek merkezine daha yakınken, gen fakiri 18.kromozom çeperlere yakın durur. Yüksek gen yoğunluğu ile interfaz çekirdeğinde daha merkezi konumda yer almak arasındaki bu bağlantı, diğer kromozom ikilileri için de raporlanmıştır.

O hâlde eğer çekirdek içinde bölgelerin organizasyonunun rastgele olmadığını söylersek, yanıtlanması gereken başka bir soru doğar: Bu organizasyon homolog kromozomların mı, yoksa belirli çiftlerin mi birlikte olduğu belli bir yerleşimle ilişkilidir? Bir kez daha, şimdiye dek elde edilen sonuçlar çelişiktir ve kesin bir yanıt verilmesi mümkün olmamıştır. Ancak, bazı karşılıklı translokasyonlarda kromozomların birbirlerine göre konumlarına dayanan yakın tarihli bazı gözlemler, kromozomların birbirlerine kıyasla düzenli konumlandıklarını doğrulamıştır.

1.4. Komşu Bölgeler Arasındaki Arayüz

Komşu kromozom bölgeleri arasında varolan ilişkileri tanımlamak için iki model önerilmiştir:

a. Kromatinler-arası Bölge Modeli (İng. Interchromatin Domain – ICD model): İlk modelde, kromatin olmayan bölgeler vardır ve buralara “kromatinler-arası bölge” denir. Bu alanlar, çekirdeksel zar porları düzeyinden başlayarak, kromozomal bölgelerin arasına yayılan üç-boyutlu bir kanal ağı oluşturur. Bu boşlukların büyüklükleri değişkendir; çapları birkaç mikrometre ile birkaç nanometre arasında olabilir. Kromatinler-arası bölgeler, kromatin dışındaki tüm malzemelerin (çekirdeksel maddeler, pre-mRNA, yazım faktörleri) yoğunlaştığı yer olabilir ve makromolekül depolama veya enzimatik tepkime yeri olarak kullanılabilir. Buraların çekirdek içinde basit pasif difüzyon için dolaşum yolları görevi gördüğü anlaşılmıştır; böylelikle yazım ve mRNA ürünlerinin gönderimi için gereken proteinlerin dağıtımına olanak tanır.

b. Kromozomlar-arası Ağ Modeli (İng. Interchromosomal Network – ICN model): İkinci modelde ise ilkinin tersine, komşu bölgeler arasında örtüşen alanların olduğu varsayılır; buralarda iki kromozomun kromatin iplikleri yakın olur. Bu model, 3D FISH tekniğinin standart hazırlanışından daha iyi bir şekilde kromatin mimarisini korumaya olanak tanıyan ince kesitlerin gözlemlenmesine dayanır. Her bir bölgenin yaklaşık %40’ı kenarlardan komuşu bölgelerle karışmış olur. Sınır bölgesinin önemi, özellikle kromozomal bölge sıkıştırılmasında rol oynar (kromatin ne kadar sıkıştırılırsa, ona ulaşma olasılığı o kadar azalır); o da kromozomun gen zenginliği ve yazımsal etkinliği ile orantılıdır. Bu modelde yazım, eşlenme, DNA onarımı için gereken proteinler ve RNA’lar, her bir bölgedeki kromatin ilmekleri arasında serbest dolaşır ve özel alanlarla sınırlandırılmamışlardır. Bu modelin başlıca amacı, kromozomal bölgeler ile gözlemlenen karşılıklı translokasyon sıklığını uzlaştırmaktır. Gerçekten de her bir kromozom için komşu bölgelerle karışık durumdaki bölge oranı ile ele alınan ikilinin karşılıklı translokasyon sıklığı arasında iyi bir bağlaşıklık (korelasyon) vardır.

Fig.1: ICD ve ICN Modelleri

ICD ve ICN Modellerinin bir başka çizimi:

(Kaynak: Branco & Pombo, 2006)

1.5. İnterfaz Çekirdeğinde Kromatinin Organizasyon Modeli

Şimdiye dek, farklı gözlemlerden yapılan çıkarımlarla, interfaz çekirdeğinin işlevsel bir organizasyon modeli, kromatin biçimindeki genetik bilgiyi içeren kromozomal bölgelerden oluşturulmuştur. Çekirdeğin içinde, proteinler ve RNA ürünleri fiksasyon bölgelerine ulaşmak veya sitoplazmaya gönderilmek için serbestçe gezinebilir; bölgeleri ayıran boşluktaki çekirdeksel gözeneklere bağlı kanal ağı yoluyla (ICD modeli) ya da doğrudan farklı bölgelerin kromatin ilmekleri yoluyla (ICN modeli) olabilir. Her iki modelde de, kromatin temasıyla gerçekleştirilen yazım etkinlikleri, genlere erişilebilirliğin modifiye edilmesiyle düzenlenebilir. Etkin genler, yazım kompleksleri tarafından erişilebilirdir çünkü ICD modelinde kromatinler-arası boşluğa yakındırlar veya ICN modelinde geniş DNA ilmeği üstündedirler. Gen etkinliğinin komşu bölgedeki yeniden-konumlanmasıyla ilişkilendirilebilmesi gözlemi, katılan genlerin -nihayetinde ayrı kromozomlarda konumlanırlar- ortak metabolik yolaklarda birlikte-düzenlenmelerine ilişkin yeni modların akla gelmesini sağlar. Gerçeğe daha yakın olan model hangisi olursa olsun, bu kromatin organizasyonu, gen gruplarının bölge içi konumları üzerinde oynama yaparak veya onları yazımsal araç-gereçler için erişilmez kılarak, kolayca inaktive edilmelerine olanak tanır.

2. Ard-Arda Gelen Hücre Çevrimleri Sırasında Bölgelerin Birbirlerine Göre Değişimi

Kromozomlar çekirdek içinde rastgele bir şekilde mi konumlanır, yoksa birbirlerine göre belirli bir yerleşim mi sergilerler? Bu soru henüz tam olarak yanıtlanmamışdır ancak ilginç bakış açıları sağlar; hücresel farklılaşma bağlamında böyle bir yerleşim önemli epigenetik bilgiler barındırmalıdır ve farklı hücre soylarındaki bazı genlerin farklı ifadelenmesini açıklayabilir. Eğer bu hipotez kontrol edilirse, bu konumsal bilginin bulunduğu yerdeki aktarım, her bir hücre tipinin özgün özelliklerini korumasında temel bir önemde olur. Şu anda iki argüman, bölgelerin birbirlerine göre koordineli organizasyonundan yanadır.

  • Işımaya maruz bırakıldıklarında iki kromozom arasında bir farklılaşmanın gerçekleşme olasılığı, interfaz sırasında aralarında varolan uzaklığa önemli ölçüde bağlıdır. Hücre tipleri arasında, farklı olası ilişkilendirmelerin değişebilen sıklıkları gözlemlenmiştir ki bu da kromozomların birbirlerine göre konumlarının, eldeki hücre hattının işlevi bakımından değişiklik gösterdiğini akla getirir.
  • Kromozomal bölgelerin birbirlerine göre konumu, her bir hücre bölünmesinde yavru hücrelere aynen aktarılır. Canlı hücreler üzerinde yapılan florasanlı gözlemler göstermiştir ki, ana hücrenin çekirdeğinin aynı yarısında konumlanan tüm bölgeler, her bir yavru hücrenin çekirdeğinin bir yarısıyla ilişkilendirilir. Metafazdan sonra konumların korunduğu, tüm kromozomların aynı plana göre yerleştiği mekanizmayı açıklamak için şu anda düşünülen mekanizma, anafazda bir asenkron kromatid ayrışması olmasıdır: (yavru hücrelerde) çekirdeğin en dış yarısına giden kromozomlar, metafaz bölünme planına bakıldığında, daha merkezi bir konumu işgal etmeye yazgılı olanlardan daha önce ayrılır (bkz. figur 2).

Asenkron kromozom ayrılması kontrolü için kilit bir öğe, sentromerik heterokromatinin miktarı olabilir; sentromer düzeyinde bu, kromatin kavuşumu için mecburidir. Gerçekten de, eğer bu heterokromatin değiştirilirse (örneğin, doğru bir yoğunlaşmayı engelleyen Hoechst boyası eklenerek), yavru hücrelerde kromozomların rastgele bir yeniden bölünmesi gözlemlenir. Eğer farklı kromozomal bölgelerin birbirlerine göre konumları epigenetik bilgi içeriyorsa, bu enformasyonun aktarımının mutlak olmaması ve varyasyonların meydana gelerek hücrelerin işlevsel uyumlanmasına olanak tanıması olasıdır.

Fig.2

3. Çekirdek: 4-Boyutlu Dinamik Bir Yapı

Hücre döngüsü sırasında çekirdeğin içinde kromozomal bölgelerin durağan bir konumu vardır; bu durum, çekirdekteki kromatinin global hareketsizliğini ifade eder. Canlı hücreler üzerinde yapılan florasanlı analiz teknikleri, gerçekten de G1, S ve G2 evreleri sırasında kullanılan izleyicilerin yüksek bir durağanlığını göstermiştir. Bu hareketsizlik muhtemelen çekirdek içindeki mevcut alanın küçüklüğü ile ilgilidir, ama kısmen bazı çekirdeksel bölgeler, çekirdekçik ve  en çok da zarfa kromatin çapalanmasından doğabilir.

Öte yandan, eğer analiz ölçeği değiştirilirse, kromatinin çekirdek içinde topaklaşmadığı ve iki çeşit hareket olduğu görülür:

a. Küçük kromozomal bölgelerin (10 kb civarı) florasan işaretlenmesi, küçük ölçekli bir hareketin varlığını vurgular; 0.5 μm’dan az bir uzaklıklıdır. Brownsal tipteki bu hareketler her yöne dönüktür ama zayıf genliklerinden ötürü ele alınan lokus çekirdeğin belirli bir bölgesiyle sınırlı kalır (toplam hacmin yaklaşık binde biri). Dolayısıyla, bu hareketler kromozomal bölge kavramıyla tutarlıdır; açıkça ayrık ve nispeten hareketsiz. İncelenen tüm lokuslar, aynı hareket olasılıklarını sergilemez; telomerler, sentromerler veya kromatin çapalanma bölgleri olabilecek başka bazı bölgeler daha hareketsiz görünür.

b. Öte yandan, büyük ölçekli hareketler, hücrenin yazımsal etkinliğinin modifikasyonu ile ilişkili olmaya açıktır; örneğin bir hücre durgunluk evresinden döngüye tekrar girdiğinde veya Lenfosit-B’de gözlemlendiği gibi hücre farklılaşması sırasında. Bu hareketler, bölgelerin yeniden konumlandırıp bazı genlerin ifadelenmesini modüle ederek hücre farklılaşması sırasında önemli rol oynuyor olabilir. Bundan başka, kromatin hareketleri, ayrı kromozomlarda konumlanan gen yazım kompleksleri içindeki birlikte-yerelleşmeyi açıklamayı sağlar; hücrenin yazımsal etkinliği ile kromozomal bölgenin yeniden ediniminin önemi arasında bir bağlaşıklık da bulunmuştur.

Sonuç

19.yy’dan beri Rabl’ın sezgisi doğruydu: Çekirdek, genomu sitoplazmadan ayrı tutmaya yarayan bir odacıktan ibaret değildir; kromatin organizasyonunda ve gen ifadelenmesinin kontrolünde muhtemelen temel bir rol oynamaktadır. Bu organelin içine, genom rastgele olmayan bir şekilde yerleştirilir; her bir kromozom, iyi tanımlanmış bir bölgeyi işgal eder ve kromozomlar çeşitli çekirdek-altı yapılarla temas yoluyla yerlerinde tutulur. Nihayetinde belirli hücrelere veya dokulara özgü olan bu yerleşim, hücre bölünmesi sırasında yavru hücrelere aktarılır. Ayrıca bazı lokusların düzeyinde hareket mümkündür; hücresel farklılaşma görüngüsü veya yazımsal yenilenme sırasında çekirdeğin başka bölgelerinde yerelleşebilirler. Konum modifikasyonları ve rastgele olmayan kromozomal bölge yerleşiminin varlığı, çekirdeğin içinde yazımdan yana ve dolayısıyla gen ifadelenmesinden yana olan bölgeler olabileceğini akla getirir. Konumuna göre, şu veya bu gen grubu bütünüyle etkin olabilir; her birinin ayrı ayrı kontrolüne gerek kalmadan. Dahası, dışarlama bölgelerinin varlığı, potansiyel hedeflerin sayısını azaltarak ve yazım faktörlerinin aktif genlere doğru görünen yoğunluğunu yükselterek, yazımı üstlenen proteinlerin işini kolaylaştırır (yükselticiler, polimerazlar vb). Dolayısıyla, hareketli bir çevreye hücrenin uyumlanmasına katkıda bulunan bir genetik plastisitenin varolduğu, bunun kromatin hareketliliğiyle bağlaşık olduğu söylenebilir.

Bu organizasyonun ve onu sürdüren yapıların (özellikle çekirdeksel zarfın) genomun işlevsel düzenlenmesindeki önemi, laminopatiler (çekirdeksel laminanın proteinlerini kodlayan genlerdeki mutasyonların neden olduğu genetik bozukluklar) ile ilgili sorunlarla sınanmıştır. Bu hastalıkların fizyopatolojisinin tam araştırılması, bölgesel düzeyde gen ifadelenmesinin meta düzenlenmesi mekanizmaları üzerine yeni ışıklar tutmaya muhtemelen katkıda bulunacaktır. Bunlar arasında, DNA epigenetik modifikasyonları (sitozinin metillenmesi, histonun metillenmesi/ asetillenmesi), epigenez (kromatin yapısı, genom organizasyonu) ile gen ifadelenmesi arasındaki bir ilişkiden yana olan argüman sayısı nedeniyle, ayrıcalıklı bir araştırma alanı oluşturmaktadır.

Kaynak ve İleri Okuma

Etiket
  • Projelerimizde bize destek olmak ister misiniz?
  • Dilediğiniz miktarda aylık veya tek seferlik bağış yapabilirsiniz.
  • Destek Ol
Yorum Yap (0 )

Yorum yapabilmek için giriş yapmalısınız.

Bunlar da ilginizi çekebilir

Bağış Yap, Destek Ol!
Projelerimizde bize destek olmak isterseniz,
Patreon üzerinden
bütçenizi zorlamayacak şekilde aylık veya tek seferlik bağışta bulunabilirsiniz.
E-Bülten Üyeliği
Duyurulardan e-posta ile
haberdar olmak istiyorum.
Reklam Reklam Ver
Arşiv