[GOEAR]3cabe5a[/GOEAR]
Hücrelerdeki Dinamik Programlar
Hamza AYDIN

"Canlıların hücrelerine yerleştirilen çevreye uyum mekanizmalarındaki moleküler ve genetik çeşitlilik, hücreye ve canlılığın nasıl sürdürüldüğüne dâir bilgilerimizde, köklü değişikliklere zemin hazırlamaktadır. Genomun ihtiyaca göre yeniden yazılma ve düzenlenme fonksiyonu, bilhassa hareketli genetik elementlerin farklı genetik lokuslarına (genomdaki yerleşim noktaları) plânlı yerleşimi ve koordineli şekilde kontrol edilmesi, tefekküre açık bilim insanlarını hayrete düşürmektedir. Hücrenin, uyum ihtiyaçlarına cevap verecek şekilde genom dizilerinin yeniden yapılandırılması işlemlerinde, hücre içi sinyal işlem ağlarının sanki çok akıllıymış gibi işletildiği gösterildi. DNA'daki şifreli bilginin RNA'ya aktarımını (transkripsiyon) düzenleyici sistem, genomun uygun lokuslarına, doğru yerde, zamanda ve miktarda erişme kapasitesine sahip kılındığından genetik bilgi sağlıklı şekilde okunabilmektedir. Ayrıca transkripsiyon kontrol sistemi, hareketli genetik elementlerin kendilerine ait genom bölgelerine hem spesifik yönlendirilmelerinde, hem de rastgele yerleştirilmelerinde vazife görür. Genetik bilginin bu şekilde çeşitlendirilmesi, yeni genetik bilgilerin üretilmesine vesile olur.

Hücre içi kararların matematiği ve algoritmik tabiatı
Laktoz şekerini (disakkarit) Escherichia coli bakterisinin kullanabilmesi için, bu şekerin hücreye alınmasında ve glikoza dönüştürülmesinde rol alan enzimlerin genetik bilgileri, bakteri genomuna kodlanmıştır. Bu genlerin doğru zamanda ve doğru miktarda okunmasını mümkün kılan yerleşim ve okunma düzenine 'operon' denmektedir. Bakterilerde her bir kimyevî molekülün (metabolit) sentezi veya yıkımında iş gören genetik bilgilerin okunmasını düzenleyen ve kontrol eden operon isimli model mekanizmalar vardır. Bunlardan biri olan Laktoz operonu, DNA'da protein kodlayan bilgilerin okunmasının bakterilerde nasıl düzenlenip kontrol edildiğine güzel bir misâldir. E. coli bakterisi ortama glikoz ve laktoz karışımı şeker konulduğunda bunları birbirinden ayırt edebilecek sistemle donatılmış ve arızasız şekilde işletilmektedir. Bakteride laktozu parçalayacak enzimlerin üretimine başlanmadan önce ortamdaki bütün glikoz öncelikle kullanılır. Bu işlemin bakteride, laktoz geninin yukarı kısmındaki DNA dizilerinin çeşitli moleküllerle etkileşmesiyle başarıldığı bulundu. Genin yukarı bölgesindeki DNA dizileri, transkripsiyon için DNA'yı formatlayan sinyallerdir. Bu sinyaller, transkripsiyon faktörleriyle etkileşerek, genlerin okunmasına vesile olur. Genlerin düzenleyici bölgelerindeki bu sinyallerin bazısı, birçok gende ortak iken, bazısı da gene mahsustur.

Genom-proteom (hücredeki bütün proteinler) etkileşim sistemlerinin en basiti, E.coli bakterisinde gözlenen laktoz operonunun ( LacO) baskılanmasıdır. Bu işlem yardımlaşmaya dayalı protein-DNA etkileşimlerine bağlı olup, tekrarlayan DNA dizilerinin varlığını gerektirir. Lac operonunu kontrol eden lacI isimli engelleyici proteinin ikişerli (dimer) yapılar oluşturan iki dimer formu, DNA üzerindeki dört adet tekrarlayan bağlanma bölgesine bağlanır. Bir dimer, bir operatör diziye bağlanabildiğinden, iki dimer iki adet operatör bölgeye bağlanır. Bu şekildeki bağlanma biçimi, DNA yapısında bir ilmek oluşumuna sebep olur. Neticede, RNA polimerazın promotor bölgeye erişimi dolayısıyla genlerin ön okunma işlemi engellenir. Engelleyici protein tek bir monomer hâlinde ise, operatör dizinin yarısıyla zayıf bir etkileşim gösterir. Dimer formunda ise stabil bir bağlanma gösterir. Bundan dolayı, hücre içinde pek çok işlem moleküllerin yardımlaşmasıyla ve birlik oluşturmasıyla gerçekleştirilir. DNA'nın ilmek şekli, yapıyı stabilize ettiği için promotor bölgeye, RNA polimeraz'ın bağlanmasına mâni olur. Lac operonundaki bu engellenmenin kalkması için laktoz gibi uyarıcı moleküllerin bu yardımlaşmayı bozması gerekir.

Hücrelerde fizyolojik durumların ölçülüp takip edildiği metabolik bilgi de mevcuttur. Laktoz operonunun düzenleyici bölgelerindeki dizilerle, glikoz ve laktoz metabolizmasının fizyolojik durumunu gösteren veriler arasında bağlantı kurulur. Hücre, glikozun varlığını ve miktarını glikozu hücre içine taşıyan sistemdeki değişiklikler üzerinden algılar. E.coli bakterisinde glikozun varlığını gösteren molekül, siklik-AMP olup, bu molekülün hücre içi konsantrasyonu glikozla ters orantılıdır. Bu sinyalin miktarı, genomik bilginin hem okunmasına hem de düzenlenmesine tesir eder. Glikozu hücre içine taşıyıcı protein fosfat grubu ihtiva eder, taşıdığı glikozları fosforile ettiğinden kendisi fosfatsız kalır. Bundan dolayı taşıyıcı proteinin fosfatlı ve fosfatsız formunun oranı, hücre içindeki glikoz seviyesi hakkında bilgi sağlar. Taşıyıcı proteinin fosforile formu, adenilat siklaz enzimini aktive eder. Bu enzim vasıtasıyla ATP, siklik-AMP'ye dönüştürülür. Hücre içinde siklik-AMP seviyesi artar. Netice olarak, fosforile formundaki taşıyıcı protein ile siklik-AMP'nin artan konsantrasyonlarına ait bu durum, hücrede glikoz olmadığı şeklinde yorumlanır. Laktozun düzenleyici bölgesinde bulunan CRP bölgesine bağlanan CRP proteini ancak siklik-AMP varlığında, buraya bağlanabilir. Laktoz geninin promotor bölgesine bağlı siklik-AMP-CRP kompleksi, RNA polimerazın laktoz operonunu okumasını hızlandırır. Laktoz yokluğunda ise, transkripsiyon çok seyrek gerçekleşir. Çünkü düzenleyici gen ürünü olan Laktoz repressör (baskılayıcı) protein, düzenleyici bölgedeki operator bölgeye bağlanarak, RNA polimerazın laktoz promotor bölgesine erişmesini engeller. Hücre laktozun varlığını dolaylı olarak algılar. Lac Y bölgesinde kodlu permeaz enziminin düşük seviyeleri, birkaç tane laktozu hücre içine taşır. Lac Z bölgesinde kodlu beta galaktosidaz, onları allolaktoz isimli şekere dönüştürür. Allolaktoz lacI engelleyici proteine (repressör) bağlanır. Repressörün şeklini değiştirerek lacO isimli operator bölgeye bağlanması engellenir. Laktoz operonunun LacP isimli promotor bölgesi transkripsiyon için serbestleşir. Bu moleküler etkileşimlerin her biri, gerçekte bilgi transfer hâdisesidir. Bütün bu hâdiseler zinciri, bakteri hücresine iki şeker arasındaki farkı ayırt etmeye muktedir bir algoritmanın (Glikoz hiç yoksa ve sadece laktoz varsa, ancak o zaman lacZYA enzimlerini transkrip et.) yerleştirildiğini ve hatasız şekilde bir hesap üzerine işletildiğini gösterir.

Özetlersek, laktoz operonunda sinyal transferi, hücrenin iç ve dış fizyolojik çevresine ait tecrübî veriyi temsil eden kimyevî moleküllerin aktifleştirilmesiyle gerçekleşir. Meselâ siklik-AMP, allolaktoz ve protein fosforilasyon seviyeleri, glikoz ve laktozun varlığını gösterir. Düzenleyici ağ şebekesi ise transkripsiyon kararını vermek için, hücre faaliyetlerinin (transport, enzimoloji ve enerji metabolizması) birçok yönünü bütünleştirir. Kısacası, herhangi bir hücrede genomun düzenlenmesini fizyolojiden veya biyokimyevî işlemlerden bağımsız olarak gerçekleştiğini göstermek imkânsızdır.

'Spesifik bağlanma bölgelerinin düzenlenmesinde kombinasyonların kullanımı' prensibi, hücrenin fizyolojisini ve doku oluşumuna yönelik farklılaşmasını (morfogenezis) kontrol eden metabolik sinyal ağı yollarında çok yaygın olarak kullanılır. Bu ağ yollarında proteinler ve DNA dizileri o şekilde etkileşir ki, hücrenin moleküler bilgiyi işlemesine ve belirli bir kodlayıcı dizi bölgesinin transkripsiyonunu yapıp yapmayacağını hesaplamasına sebepler plânında izin verilir. Farklı genetik lokusların koordineli şekilde kontrol edilmesinde, DNA üzerindeki ortak bağlanma bölgeleri önemli roller üstlenir ve genlerin âhenkli şekilde (senfonik) okunması mümkün hâle gelir. Bu bölgelerin çeşitli kombinasyonları, daha girift kararların verilmesinde de kullanılır. Meselâ genlerin okunmasında rol alan genomik belirleyicilerin en düşük seviyesinde, protein bağlama bölgeleri yer alır. Bu DNA dizilerine bağlanan proteinler birden fazla monomerin etkileşimiyle bir küme oluşturduğunda aktif hâle geçebilmektedir. Meselâ laktoz operonundaki lacO ve CRP bölgelerinin her biri, palindromik diziliş (dizi her iki yönden okunduğunda mesajın aynı kalma durumu) özelliği gösterir. Benzer şekilde lacP bölgesi de RNA polimerazın bağlanması için uygun ve birbirinden 16–17 baz çiftiyle ayırt edilen iki alt bölgeye sahiptir. Bütün canlılarda proteinler ve onları kodlayan DNA dizileri birbirleriyle etkileşen sistemlerdir. Meselâ laktoz operonunun kontrolünde vazifeli LacI repressör molekülü, hem DNA bölgesine bağlanmak, hem protein-protein bağlanmaları, hem de allolaktoz uyarıcının bağlanması için ayrı bölgeler ihtiva eder. Genom dizilerinde bu bölgelerin farklı şekilde kombinasyonları, farklı proteinlerin sentezine vesile olur.

Hücrelerdeki fıtrî genetik mühendisliği işlemleri
Hücrelerde aktif olarak işletilen fıtrî genetik mühendisliği işlemlerinden bazıları şunlardır: Homolog kromozomlarda (ebeveynden gelen kromozom çifti) gözlenen rekombinasyon sistemleri (karşılıklı parça alışverişi, ardışık dizilerde çoğalma veya azalma, duplikasyon, parça eksilmesi), belirli bir bölgeye has rekombinasyon (hususi DNA dizileri ihtiva eden DNA'ların farklı kromozom bölgelerine yerleşmesi, delesyonu veya ters dönmesi); bölgelere has DNA dizilerinin ayrıştırılması (gen parçalarının füzyonu, bağışıklık sisteminde görev alan genlerin VDJ rekombinasyonları); homolog olmayan kromozomlarda uç kısımları birleştiren sistemlerin varlığı (kırılmış DNA parçalarının birbirine yapıştırılması, yeni genetik füzyonların oluşumu, hiper mutasyonlara açık dizilerin oluşumu); mutasyon yaptırıcı (mutator) DNA polimerazların varlığı (yer yer hipermutasyona açık bölgelerin oluşturulması); DNA transposonları (kendini farklı DNA dizileri arasına yerleştirebilen veya kendinin bir kopyasını çıkartarak oradan uzaklaşabilen DNA dizileri); transkripsiyonu kontrol edebilen RNA kesimi ve olgunlaştırılmasında vazife alan sinyaller; komşu DNA dizilerinin yeniden düzenlenmesine (amplifikasyon, delesyon, insersiyon gibi) yol açan sinyal dizileri; mikro RNA'lar ile transkripsiyonun kontrolü.

Yukarıdaki hücre içi değişikliklere yol açan hiçbir hâdise tesadüfî değildir. Her bir genetik mühendisliği fonksiyonu, DNA üzerinde spesifik değişiklikler ve düzenlemeler yapacak şekilde plânlanmıştır. Belli büyüklükteki bir DNA parçasının genomun bir başka bölgesine katılımı veya koparılması (insersiyon veya delesyon) işlemlerinde koparılan parçayı yeni yerine doğru şekilde yapıştıracak düzenleyici, kesici ve kodlayıcı diziler bulunur. Genom üzerinde, çeşitliliği ve uyum cevabını üretmek üzere mutasyona açık hususi bölgeler yaratılmıştır. Bütün bu moleküler mühendislik fonksiyonlarına dikkatli şekilde bakıldığında, şimdiye kadar tesadüfen rastlantıyla meydana geldiği söylenen nokta mutasyonlarının bile tesadüfî olmadığı, fıtrî genetik mühendisliği fonksiyonlarıyla gerçekleştirildiği görülür. Hücrede zahiren şansa bağlı olarak rastgele olduğu gözlenen mutasyonların çoğu, hücredeki tamir sistemleri ve hata düzeltme (tashih) fonksiyonlarıyla uzaklaştırılır. Dolayısıyla DNA dizilerindeki değişkenlik ve çeşitlilik, plânlı, programlı yap-boz şeklinde genetik programa göre cereyan eden Kudret ve İrade Kalemi'nin mürekkepleriyle şekillenir.

Genomun araştırma ve geliştirme bölümü
Hücrede maruz kalınan uyarılara bağlı olarak fıtrî genetik mühendisliği fonksiyonları düzenlenir ve genomun hangi bölgelerinde değişiklik yapılacağına karar verilir. Hücre içindeki değişikliklerin bazıları büyük ve geniş ölçekli düzenlemelerle ortaya çıkmaktadır. Genom içinde çok farklı ve birbirinden uzak bölgeler, yeniden düzenlenebilmektedir. Değişiklikler birbirinden kopuk değil, birbiriyle bağlantılıdır. Bir mekanizma birden fazla değişiklik üretebilir. Bazı organizmalarda genomun yeniden yapılandırılması, normal hayat çevrimlerinin bir parçasıdır. Silli protozoalar'da embriyonik genom, düzenli şekilde binlerce dilime ayrıştırılır. Sonra bunlar, lehv-i mahv-isbatın bir örneği olan hücrelerde işlenip, düzenlenip temelde farklı bir sistem mimarisine sahip fonksiyonel bir genom yaratılır.

Genom yeniden biçimlendirilirken, mevcut fenotip özelliklerin devamlılığında rol alan kod ihtiva edici ve düzenleyici dizilerden ziyade, yeni farklı dizilerin üretimi gerçekleştirilir. Sistem çapında genomun örgütlenmesi, genetik modüllerin kes-yapıştır-yeniden düzenle gibi fonksiyonlarıyla ortaya çıkar. Meselâ bağışıklık sistemi hücrelerinde, ilgili DNA dizileri plânlı şekilde mutasyona uğratılarak ve yeniden düzenlenerek, sonsuz sayıda farklı antijen molekülünü tanıyan hususi antikorlar üretilir. Lenfositlerin hayat çevrimleri, hem DNA düzenlemelerinin gelişim kontrolünü hem de mutasyonların spesifikliğini gösterir. Mevcut yapıyı bozmayan yeni dizilerin, genomun araştırma ve geliştirme bölümü gibi fonksiyon gördüğü tahmin ediliyor.

Hücrelerin içine konulan fıtrî genetik mühendisliği sistemleri -populasyon perspektifinden bakıldığında- uyum sağlayıcı temel değişiklikleri gerçekleştiren moleküler mekanizmalardır. Çünkü hücre içine yerleştirilen fıtrî genetik mühendisliği fonksiyonlarına uyum sırasında genomu yeniden yapılandırma görevi verilmiştir. Hareketli bilgi taşıyıcı nükleik asit elementleriyle birlikte yaratılışta hücre içine yerleştirilen fıtrî genetik mühendisliği araçları ve mekanizmaları, sadece genomun bir noktasında ve nadiren değil, genomun her yerinde, değişen iç ve dış çevre şartlarına paralel olarak genomu değiştirir. Tür içi, türler arası, cinsler ve sınıflar arası yatay ve dikey genetik bilgi değiş-tokuşuna izin veren hareketli DNA elementlerinin fonksiyonları, hücre içi sinyal iletim ve veri işleme ağlarıyla düzenlenir. Hücre içi işlemleri düzenlemede ve kontrol etmede vazifeli sinyal ağı şebekeleri, sadece genomun ne zaman yeniden düzenlemeye maruz kalacağını kontrol etmez, aynı zamanda bu düzenlemelerin genomun neresinde gerçekleştirileceğini belirler. Hedef seçimi de tesadüfî değil, plânlıdır. Meselâ 28S ribozomal RNA'yı kodlayan DNA bölgesine yerleşen R1 ve R2 retrotranspozonları, hem hususi tanıma bölgelerine, hem de yerleştiği DNA bölgesini belli noktalardan kesen endonükleaz bilgisine sahiptir. Ökaryotik hücreler ise çok daha kompleks karar verme sistemlerine sahiptirler. Hücreler, DNA zararından, hücre fizyolojisinden ve hücredışı çoğalma faktörlerinden gelen uyarılara sürekli cevap üretirler. Kritik soru ve cevaplardan biri, hasarın tamir mi edileceği yoksa programlı ölüme mi gidileceğidir. Çünkü hücre her iki cevaptan da kaçarsa, o zaman genetik kararsızlık oluşur ve kanser denen anormal hücre çoğalması başlar. Bu açıdan kanser, bir başka boyutuyla, hücredeki sinyal ve bilgi işlem patolojisinin bir neticesidir. Genomun harfleri değiştirilmeden harf üzerindeki değişiklikler (epigenetik) ve fıtrî genetik mühendisliği fonksiyonları; hücrede her hâdisenin plânlı, maksatlı, bilgiye ve hesaba dayalı olarak gerçekleştirildiğinin açık delillerindendir.

Kaynaklar
- Shapiro J. A.(2001). Genome Formatting for Computation and Function :Genome Organization and Reorganization in Evolution: Formatting for Computation and Function . Presented at a symposium on “Contextualizing the Genome,” Ghent University, Belgium, November 25–28, 2001 (Ann. N.Y. Acad. Sci., in press) EMAIL: jsha@midway.uchicago.edu
- Shapiro, J.A. (2005). A 21st century view of evolution: genome system architecture, repetitive DNA, and natural genetic engineering. Gene 345 (2005) pp: 91–100
- Shapiro J. A. and Sternberg R V (2005) Why repetitive DNA is essential togenome function. Biol. Rev. (2005), 80, pp. 1–24. Cambridge Philosophical Society. DOI: 10.1017/S1464793104006657