Kromozom Bölgeleri: Çekirdek İçinde Kromozomların Yerleşimi

Kromozomlar bir çekirdeğin belirli alanlarını işgal eder ve bu kısımlara "kromozom bölgeleri" denir. Buralar, malzemeleri düzenli tutmaktan çok daha fazlasını yapıyor olabilir.
Görsel Telif: Cremer, T. & Cremer, C.

Çoğu insan “kromozom” sözcüğünü duyduğunda, gözünde canlanan resim büyük olasılıkla çubuğa benzeyen, derlitoplu DNA külçeleri oluyordur. Hücre bölünmesi süreci sırasında yoğunlaşmış ve uzamış yapılar olarak görünseler de, kromozomlar hücrenin ömrünün büyük bölümünde hiç de öyle görünmezler (fig.1). Aslında bazı hücre tipleri, örneğin nöronlar, hiç hücre bölünmesi geçirmez ve dolayısıyla kromozomları hiçbir zaman yoğunlaşmış bir duruma gelmez. Öyleyse, hücre bölünmesi dışındaki zamanlarda, kromozomlar çekirdekte nasıl görünür? Bu basit bir soruya benzemesine rağmen, yanıtı sadece son 20 yılda (2008 itibariyle) açığa çıkmaya başladı ve elde edilen bulgulardan çıkan sonuçlar, hem çok ilginç hem de genom hücre biyolojisi alanında süren çalımaların çoğunun kapsamına giriyor.

Figur 1: Tavukta kromozom bölgeleri. a) Tavuk metafaz kromozomlarının boyanmış, diploid yayılımı. b) Sanki-renklendirilmiş kromozomlu çok-renkli FISH sonrası aynı yayılım. c) Problar, antikor kullanılarak saptandı. d) Bir tavuk fibroblast çekirdeğinin orta-düzlem optik kesiti, homolog kromozomların ayrı konumlarda görüldüğü birbirini dışarlayan kromozom bölgeleri gösteriyor. (Telif: © 2001 Nature Publishing Group Cremer, T. & Cremer, C. Chromosome territories, nuclear architecture and gene regulation in mammalian cells. Nature Reviews Genetics 2, 295. All rights reserved.)

Teknik Açıdan Zorlayıcı Bir Problem: Kromozomların Nasıl Düzenlendiğini Belirlemek

Hücresel çekirdeğin içinde kromozomların nasıl organize olduğunu belirlemek, onlarca yıldır bilimciler için teknik açıdan zorlayıcı bir sorundu. Mikroskopla çekirdeğin içine bakıp, kromozomların nasıl düzenlendiğini görmenin olanaklı olduğunu düşünenler olabilir. Gerçekten de, 1960’larda ve 70’lerde hem elektron mikroskopları hem de ışık mikroskopları kullanılan çeşitli yaklaşımlarla, hücreler mitozdan interfaza geçerken kromozomların dramatik yapısal değişimler geçirdiği ve bu yapıların, hücre bölünmelerinin arasında kalan dönemlerde yoğunlaşmamış yapılar şeklinde oldukları anlaşılmıştı. Bununla birlikte, mitoz geçirmekte olmayan hücrelerin çekirdeğinin içinde kromozomların nasıl organize olduklarını, mikroskobi açığa çıkarmamıştı. İşin aslın şu ki, hücre bölünmeleri arasındaki periyotta, ışık veya elektron mikroskobu yoluyla kromozomları ayrı ayrı tanımak mümkün değildir. Yani bu yöntemlerle, bölünmekte olmayan hücredeki bir kromozomu komşusundan ayırt etmek olanaksızdır.

Kromozom Organizasyonu Modelleri

Doğrudan gözlemsel kanıtın yokluğuna karşın, bölünmeyen hücrelerin çekirdeklerinde kromozomların muhtemel organizasyonu için erken dönemdeki araştırmacılar iki model önerdi. İlk model “kromozom bölgesi modeli” olarak bilinir ve ilk olarak 1885 yılında Carl Rabl tarafından ortaya atılmıştır. Bu modele göre, her bir kromozomun DNA’sı çekirdeğin belirli bir hacmini işgal eder ve sadece yan komşularıyla örtüşme yapar (fig.2Ab). Bunun tersine, ikinci “spagetti modeli“ne göre, çok sayıda kromozomun DNA iplikleri, büyük ölçüde rastgele bir şekilde çekirdekte kıvrılarak dolanır ve dolayısıyla kromozomlar birbirleriyle karışıp dolaşmış vaziyettedir (fig.2Be).

Figur 2: Kromozom organizasyonu için iki model: A) Kromozom bölgesi modeli. B) Spagetti modeli. (Telif: With kind permission from Springer Science+Business Media: Cremer, T. et al. Rabl’s model of the interphase chromosome arrangement tested in Chinise hamster cells by premature chromosome condensation and laser-UV-microbeam experiments. Human Genetics 60 (1), 46-56 (1982). All rights reserved.)

Modellerin Sınanması

Bu iki model arasında ayrım yapmayı sağlayan kilit deney, en sonunda 1980’li yıllarda Alman hücre biyoloğu Thomas Cremer ile onun fizikçi kardeşi Christoph Cremer tarafından yapıldı. Cremer’lar bu iki modelin çok farklı öngörüleri olduğunu ve bu sayede, eğer çekirdeğin bir kısmındaki kromozom bölgelerini işaretlemek bir şekilde mümkün olsa ve o bölgelerin durumu hücre bölünmesi sırasında takip edilebilse, modellerin birbirlerinden ayırt edilebileceklerini fark etmişti. Özellikle belirtmek gerekirse, Cremer’lar şu düşüncedeydi: Eğer kromozomlar çekirdekte sadece sınırlı bir hacmi işgal eden bölgelerde bulunuyorsa, belirli bir hacmi işaretlemek, sadece birkaç tane yan komşu kromozomu etkileyecekti (fig.2Aa). Öte yandan, eğer spagetti modeli doğruysa, küçük bir hacmin işaretlenmesi, çok sayıda kromozomu etkileyecekti çünkü bir sürü farklı kromozomun iplikleri işaretlenen hacimden geçiyor olacaktı (fig.2Bd).

Kesin sonuca ulaştıracak olan bu deneyi gerçekleştirmek için Christoph Cremer ile ekibi bir lazer geliştirdi; bu lazer, bir hücrenin çekirdeğinin küçük bir bölümüne ışık tutacak kadar dar şekilde odaklanabiliyordu. Lazer ışığı, aydınlatılan bölgelerde DNA hasarı tetikleyecek bir dalgaboyundaydı. Cremer’lar ardından, radyoaktif olarak etiketlenmiş nükleotidler sağlayarak, hücrelerin hasarlı DNA’yı onarma becerilerinden yararlandı; onarım sırasında hücre bu etiketlenmiş nükleotidleri DNA’sına kattı. Daha sonra, hücre bir sonraki mitoza girdiğinde ve kromozomları yoğunlaşmış bir görünüme büründüğünde, işaretlenmiş bölgeler radyografiyle analiz edildi.

Sonuçlar açıkça ortadaydı. Cremer kardeşler, hücre başına sadece birkaç kromozomun hasar almış olduğunu buldu. Bu sonuç, kromozom bölgesi modelini güçlü bir şekilde destekliyordu. Kromozom bölgelerinin varlığı, bundan birkaç yıl sonra florasan in situ hibritleştirme (FISH) tekniğinin geliştirilmesiyle, etkileyici biçimde doğrulandı. FISH tekniğinde, belirli bir kromozoma bütünleyici olan florasanla etiketlenmiş problar, el değmemiş çekirdek içindeki belirli bir kromozomu görselleştirmek için kullanılır. Bu deneyler, kromozomların bölgesel yapılarının doğrudan görselleştirilmesine olanak sağladı (fig.3).

Figur 3: FISH tekniğiyle kromozom bölgelerinin görselleştirilmesi. A) Karaciğer hücresi çekirdeğinde (mavi) kromozom bölgeleri (yeşil). B) Birden fazla kromozomun görselleştirilmesi, organizasyonun uzaysal şablonlarını açığa çıkarır. Kromozom-12 (kırmızı), kromozom-14 (mavi) ve kromozom-15 (yeşil), fare lenfositlerinde bir küme oluşturur. (Telif: Part A: © 2004 Parada, L. A. et al. Tissue-specific spatial organization of genomes. Genome Biology 5:R44 doi:10.1186/gb-2004-5-7-r44. Part B: © 2002 Cell Press/Elsevier Inc. Parada, L. A. et al. Conservation of relative chromosome positioning in normal and cancer cells. Current Biology 12, 1692–1697 (2002). All rights reserved.)

FISH’in Açığa Çıkardıkları

FISH tekniği, ortaya ilk çıkışından beri, genom hücre biyolojisi alanındaki başlıca yöntemlerden biri hâline geldi ve bu tekniğin kullanımı, kromozom bölgelerinin çok sayıda temel özelliğini ortaya çıkardı. Örneğin, yüksek-çözünürlüklü mikroskobiyle birlikte FISH tekniği, kromozom bölgelerinin şeklinin düzensiz olduğunu ama tipik olarak 1 ilâ 2 mikrometre çapında olduğunu ve daha küçük alt-bölgelerden oluştuklarını gösterdi. Ayrıca maya gibi düşük ökaryotlarda kromozomlar daha az katlanmış olsa da, kromozom bölgelerinin tüm yüksek ökaryotlarda bulunduğunu biliyoruz. Kromozom bölgelerinin birbirleriyle dipdibe komşu olduklarını ve aslında komşu kromozomların birbirlerinin alanlarını işgal edebildiklerini ve sınırlarda birbirleriyle karışabildiklerini biliyoruz. Canlı hücrelerin gözlemlenmesi, kromozomların özünde hareketsiz olduğunu, muhtemelen komşuları tarafından üzerlerine uygulanan kuvvet dolayısıyla yerlerinde tutulduklarını açığa çıkardı. Bundan başka, kromozom bölgeleri, hücre bölünmesi sırasında ebeveynden yavru hücreye yarı-korunumlu aktarılır; yavru hücredeki konumlar, ebeveyn hücredekine benzer olur (Parada et al., 2003).

Kromozom Bölgelerinin Düzenlenişi ve Değişikliği

Her bir kromozomun, çekirdeğin ayrı bir bölgesini işgal ettiği gerçeği, temel bir soruyu gündeme getirir: Kromozom bölgeleri çekirdekte rastgele mi düzenlenmiştir, yoksa organizasyon şablonları mı vardır? Yapılan iki deney, kromozomların çekirdek içinde rastgele yerelleşmediklerini göstermiştir. İlk olarak, araştırmacılar belli bir kromozomun hücre çekirdeğinin merkezine olan uzaklığını ölçtüklerinde, bazı kromozomların çeperlere doğru yerelleşip sıklıkla çekirdeksel zara dokunduklarını, diğerlerininse çekirdek merkezine doğru konumlandıklarını saptamışlardır. İkinci olarak, birden fazla kromozom bölgesi görselleştirilirken, bilimciler yinelenen kromozom kümeleri görme eğiliminde olmutur. Örneğin, fare lenfositlerinde, kromozom-12 çoğunlukla kromozom-14’ün yanına yerleşir; o da kromozom-15’e komşudur ve böylece üçlü bir küme oluştururlar (fig.3B).

Araştırmacılar ayrıca farklı canlı türleri arasında, kromozomal bölgelerle ilgili çeşitli bulguların aynı olup olmadığını da incelemişlerdir. Bu çalışmalar sonucunda, farklı türler arasında kromozomal özdeşlik görülen büyük alanlar olduğunu, bunların evrim sürecinde korunduğunu; dahası, bu özdeşlik alanlarının farklı türlerde konumlarının da aynı olduğunu belirlemiştir (Tanabe et al., 2002). Gerçekten de çok sayıda hücre tipinde ve dokudaki kromozom bölgesi analizleri, kromozom düzenlenme şablonlarının hem hücre tipine, hem de doku tipine özgü olduğunu netleştirmiştir.

Bir diğer ilginç gözlem ise hastalık hâlinde kromozom bölgelerinin konumlarının değişebildiğidir. Bu, hastalık mekanizmalarına ve neden genlerin hastalık durumunda yanlış ifadelendiğine ilişkin yeni kavrayışlar sağlayabilir. Hakikaten de bilimciler kromozomların konumlanışı üzerinde oynama yapmış ve bunun sonucunda gen ifadelenmesinde bazı değişiklikler görmüştür. Bu da, kromozomal bölgeler ile hastalık arasındaki bağlantıya ilişkin olası bir mekanizmayı akla getirir (Finlan et al., 2008).

Bu keşiflere karşın, kromozom bölgeleri hakkında araştırmacıların hâlâ pek çok sorusu vardır. Örneğin bu alanın kutsal kâsesi, bir kromozomun çekirdekte nerede olacağını tam olarak hangi mekanizmaların belirlediğini anlamaktır. Temmuz 2008 itibariyle, kromozomları çekirdekte belli bir yerde tutan ya da kromozom kümeleri oluşturmak için birden fazla kromozomu birbiriyle bağlantılandıran hiçbir protein tanımlanmamıştır. Araştırmalar sürdükçe, bunlar ve diğer sorular günün birinde yanıtlanabilir.

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