Genlerin nasıl, nerede ve ne zaman ifadelendiği, bireysel fenotipleri belirler. Eğer gen ifadesi çok sayıda düzenleyici öğe tarafından kontrol ediliyorsa, nihayetinde onları kontrol eden nedir ve genetik varyasyon onları nasıl etkiler?

İsviçre'de bulunan Cenevre Üniversitesi (UNIGE) ve Lozan Üniversitesi (UNIL) ortaklığında yürtülen SysGenetiX projesi, bu düzenleyici öğelerin incelenmesinin yanı sıra, kendi aralarındaki ve genlerle aralarındaki manifold etkileşimlere odaklanıyor. Nihai erekleri ise belirli hastalıklara bazı insanları diğerlerinden daha yatkın kılan mekanizmaları anlayabilmek.

Yaklaşık 300 kişinin hücrelerindeki kromatin modifikasyonlarını (yani genomun nasıl paketlendiğini) inceleyerek, Cenevre ve Lozan bilimcileri bu düzenleyici öğelerin yapısını belirlemekle kalmayıp, genomun bütünü boyunca onların etkileşimlerinin gen düzenlenmesini ve hastalık riskini nasıl etkilediğini modellemeyi de başardı. Yaklaşımlarının ayrıntıları Science dergisinde yayımlanan bir makale ile paylaşıldı.

SysGenetiX projesinin lideri Emmanouil Dermitzakis, gen düzenlemesinin genetik varyasyonu konusunda uzman. Yaptıkları çalışmada kullanılan yeni yaklaşımı şöyle açıklıyor: "Kısmî bir tablo veren bir strateji olan sadece gen ifadesi düzeyinin incelenmesi yerine, düzenlemenin aracı bir moleküler bileşeni gibi görünen kromatine odaklanmaya karar verdik."

DNA, RNA ve proteinlerden oluşan bir kompleks olan kromatin, hücre çevriminin önemli evreleri sırasında DNA'yı korumada önemli roller oynar. O nedenle kromatin modifikasyonları, ifade faktörlerinin etkilerine aracılık eder ve sonunda gen ifadesini düzenler. Kromatin profillerindeki düzenleyici öğelerin etkinliğini ölçerek, bilimciler çoğu düzenleyici öğenin etkinlik düzeyini yakalayabildi.

"Daha önceki çalışmalarda, daha odaklanmış ortamlarda yaklaşımımızı sınamıştık. Bu kez, popülasyon düzeyinde genetik varyasyonun kromatin değişkenliğini nasıl etkilediğini anlayabilmek için büyük örneklerin kromatin profillerini incelemek istedik. Kromatin değişkenliği de o değişkenliği gen ifadesine iletir. Tüm bu veriler, aktivasyon mekanizmaları ve düzenleyici ağların sağlam modellerini yapılandırmak ve genlerin ifade edilip edilmeyeceğini neyin etkilediğini anlamak için kullanılabilir," diyor makalenin başyazarı Olivier Delaneau.

Genomumuzun Yapı Taşları

Kromatik profillerinin analizi, araştırmacıların önemli bir keşif yapmasına olanak tanıdı. "Düzenleyici etkinlik, bütünüyle bağımsız bloklarda organize olmuş gibi görünüyor; aynı genomik bölge üzerindeki düzenleyici öğelerin dizileri aynı anda ya hepsi yüksek ya da hepsi düşük oluyor; sanki düzenleyici öğeler genomik Lego bloklarındaymış gibi," diyor ekipten Alexandre Reymond. Başka genetikçiler, gen düzenlemede rol oynayan daha büyük yapıları hâlihazırda belirlemişti; bunlara "topolojik olarak ortak bölge" (İng. topologically associating domain - TAD) adı veriliyor. Ancak burada tanımlanan "bloklar" (CRD adı veriliyor) çok daha ufak; bu sayede gen ifadesinin daha yüksek çözünürlüklü bir haritasını verebiliyorlar.

İşlevlerini anlamak amacıyla, genetik varyasyonun, gen etkinliğini artıran veya azaltan bu yapılar üzerindeki etkisini ölçmek için bilimciler spesifik modeller yapılandırdı. Birkaç yüz örneği kapsayan çalışma sonucunda, araştırmacılar gen ifadesini artırıp azaltmakla kalmayıp, bu blokların bizzat yapısını değiştirme (örneğin bir bloğu tamamen ayrık iki yapıya bölme) gücüne sahip genetik varyantlar buldu. Bunu yaparak, düzenleme ve dolayısıyla gen ifadesi tablosunu değiştirmiş oldular.

Küresel Ölçekte Etki İçin Yerel Eylem

"DNA hücre çekirdeğinin içinde iki boyutlu bir yapı değildir; üç (veya daha fazla) boyutta anlaşılması gerekir. Gen düzenlemenin geleneksel bir modeline göre, bir gen yükselticinin aynı genomik bölgede gene yakın konumlanması gerekir. Tersine, bizim modelimiz düzenleyici öğelerin başka bir kromozomda pekâlâ bulunabileceğini gösteriyor. Bölgeleri bir araya getiren çekirdeksel 3D yapı nedeniyle, bölgelerin karşılılı konuşması, herhangi bir yerdeki genleri etkileyen "öte-düzenleyici merkezler" (İng. trans-regulatory hubs) ile 23 kromozomumuzdan herhangi birinde gerçekleşebilir," diyor Dermitzakis.

Genetikçiler, hangi genetik varyantın hangi kromatin bloğunu etkilediğini, o blokların da genom çapında çok sayıda geni etkilediğini gösteren istatistiksel modeller oluşturabildi. Ek olarak,  eğer gen mutasyonlarını gözlemlemek nispeten kolaysa, kodlamayan DNA'da yer alan düzenleyici öğeler için aynısını yapmak daha sorunluydu. "Kuşkusuz, onların 'gramer'lerini anlamadığımızdan, mutasyonların olumlu veya olumsuz bir etkisinin olup olmayacağını belirlemek zor oluyor. Onları gruplandırarak, kodlamayan bölgelerdeki ender varyantları aramak için bir yöntem tasarlamayı başardık. İlk kez olarak, kodlamayan DNA'daki karmaşık hastalıklar zorluğuna bir çerçeve sağladık," diyor Delaneau.

Ekibin çalışması, gen düzenleme analizinde bir dönüm noktası olabilir. Genomun karmaşıklığını tek bir modele dahil ederek, bilimciler genomun her yerindeki tüm düzenleyici öğelerin bağlaşıklıklarının (korelasyonlarının) bir ağacını veriyor. Bu ağacın her düğüm noktası, o düğümün etkilerini ve belirli bir fenotiple ilgili olabilecek aşağodaki tüm düzenleyici öğelerin değişkenliğini özetlemek için analiz edilebiliyor. Bu yapı hipotezlerin sayısını azaltıyor ve genom işlevinde genetik varyasyonun etkilerinin incelenmesinde yeni bir kapı açıyor.