Tıbbi Biyoloji 8 PDF

GEN İFADESİNİN KONTROLÜ VE EPİGENETİK Dr.Öğr.Üye.Elif Zeynep YILMAZ İlk olarak, 1950’lerde Conrad Waddington tarafından önerilen Epigenetik terimi “fenotipi oluşturan genler ve ürünlerinin nedensel etkileşimlerini inceleyen biyoloji dalı olarak” tanımladı. Epigenetik, gen...

GEN İFADESİNİN KONTROLÜ VE EPİGENETİK Dr.Öğr.Üye.Elif Zeynep YILMAZ İlk olarak, 1950’lerde Conrad Waddington tarafından önerilen Epigenetik terimi “fenotipi oluşturan genler ve ürünlerinin nedensel etkileşimlerini inceleyen biyoloji dalı olarak” tanımladı. Epigenetik, genetik olarak identik hücrelerin ve organizmaların genomlarının farklı biçimlerde anlatım yapmaları ve fenotipik farklılıklar oluşturmasıdır. ▪ Organizmayı meydana getiren dokularda bulunan bütün hücreler aynı genomu taşır. ▪ Epigenetik olayların, özellikle yüksek organizasyonlu canlılarda oldukça önemli etkileri olduğu anlaşılmıştır. Epigenetik değişimlerin genetik değişimlerden farkları; Geri dönüşümlü olmaları DNA baz dizisinde değişime neden olmamaları Gelişim sürecinde gözlemlenen, hücre farklılaşmaları sırasında ortaya çıkan gen ifadesindeki değişikliklerde önemli rol oynamaktadır. DNA seçici olarak, farklı epigenetik durumlarda farklı kromatin yapılarına paketlenir. Çok hücreli organizmalar aynı genomdan oluşan farklılaşmış hücrelerin belirli bir düzen içinde yerleşmesi ile oluşan karmaşık bir hücre kümesidir. Her gen her dokuda aktif değildir. Doku ve organlara özgü olarak gen ifadesi değişkenlik gösterir Epigenetik işaretler -Gen ifade düzeyleri, -DNA-protein etkileşimleri, -Hücresel farklılaşma, -Embriyogenez, -Genomik imprinting gibi hücresel süreçlerin kontrolünde anahtar rol oynamaktadır.  Epigenetik mekanizmalar: -DNA metilasyonu -Histon modifikasyonları -Kromatin yapısının yeniden düzenlenmesi -Transkripsiyon faktörleri -Kodlamayan RNA’lar ile gerçekleşir ▪ İnsan genomunda bulunan yaklaşık 23.000 gen, belirli hücrelerde ve belirli zamanlarda ifade edilmelidir. ▪ Hücreler gen ifadesindeki bu kontrolü sağlayabilmek için DNA’larını globüler histon protein etrafına sararak oluşturdukları nükleozom yapılarını kullanırlar. Kromatin yapısındaki değişiklikler gen ifadesini kontrol eder. Kromatin yapı sıkılaşıp yoğunlaştığında genler inaktive olur, Kromatin yapısı gevşeyerek açıldığında genler aktif olarak ifade edilir. Kromatin yapısındaki bu dinamik durum, geri dönüştürülebilir olan ve DNA metilasyonu ya da histon modifikasyonları ile sağlanan epigenetik mekanizmalarla gerçekleştirilir. Bu işlemlerde görevli olan enzimler; ▪ DNA Metiltransferazlar (DNMT) ▪ Histon deasetilazlar (HDAC) ▪ Histon asetilazlar ▪ Histon metiltransferazlar ▪ Methyl-binding protein MECP2  DNA Metilasyonu ▪ DNA’ya metil (CH3) grubu eklenmesidir. ▪ DNA metillenmesi, genel kural olarak, DNMT’ler (DNA metil transferaz) tarafından yapılır. ▪ Memeli ökaryotlarda DNA metillenmesi ağırlıkla 5’-CG-3’ (CpG) adacıklarında bulunan sitozin (C) bazının 5.karbonuna metil grubu eklenmesiyle gerçekleşir ve 5-metilsitozin oluşur. ▪ Omurgalı DNA’sındaki C-G baz çiftlerinin %70’ten fazlası metillenmiş durumdadır. ▪ Promotor bölgelerindeki metillenme, transkripsiyon faktörlerinin tanıma bölgelerinde değişiklikler meydana getirerek bu faktörlerin bağlanmasını engellemekte ve bu şekilde gen ifadesinin baskılanmasında rol oynamaktadır. CpG bölgeleri DNA üzerinde genlerin promoter bölgeleri dışında ekzonlar üzerinde de seyrek olarak bulunur. Transkripsiyon faktörleri; genlerin transkripsiyonunu düzenlemek için DNA üzerinde belli bir diziye bağlanabilen bir proteinlerdir. ❖ Promoter bölgesindeki CPG adalarının metilasyon durumu gen aktivitesinde asıl belirleyici özelliktir. ▪ Genin promoter bölgesindeki CpG nükleotidlerinin metilasyonu az ise (hipometilasyon) gen aktiftir. Gen açık/hipometilasyon ▪ Genin promoter bölgesindeki CpG nükleotidlerinin metilasyonu fazla ise (hipermetilasyon) gen sessiz, inaktiftir. Gen kapalı/hipermetilasyon  Histon Modifikasyonları DNA’nın paketlenmesinde görevli olan histon proteinlerinin bazik amino- terminal uçları nükleozomdan çıkıntılar yapar ve bir takım posttranslasyonel modifikasyonlara uğrayabilir. Bu modifikasyonlar arasında; o HAT (histone asetil transferaz)’lar tarafından asetillenme, o HMT (histon metil transferaz)’lar tarafından metillenme yer almaktadır. ▪ Histonlar üzerinde yapılan bu değişiklikler, kromatinin yapısının gevşek ya da sıkı olma durumunu etkileyerek, gen ifadesinde düzenleyici rol oynar. Histon modifikasyonları ▪ Histon metilasyonu sonucunda gen ekspresyonunun ökaryotlardaki 1. basamağı olan kromatin şekillenmesi gerçekleşir. ▪ Kromatin şekillenmesinde rol oynayan Histon asetilaz ve Histon deasetilaz enzimleri histon metilasyonunu sağlayan Histon metilaz enzimleri ile birlikte çalışarak ilgili genin bulunduğu kromatin yapısının açılmasına veya kapanmasına neden olur. ▪ Metilasyon, H3 ve H4 histon moleküllerinin N terminaline bağlı asetil gruplarının histon deasetilaz enzimi ile uzaklaşmasını tetikler ve kromatinin transkripsiyona uygun olmayan bir hale gelmesini sağlar. ▪ Epigenetik modifikasyonlar, uzun dönem gen ifadesinin susturulmasında kullanılan bir mekanizmadır. Dokuya ya da gelişim evresine özgül farklı gen ifadesi şekillerinin sağlanmasında önemli bir rol oynar. Gelişim sürecinde oluşturulan epigenetik yapı, bireyin yaşamı boyunca korunur. Dokuya özgü gen ifadesi Hücreye özgü gen ifadesi Epigenetik yapıda oluşabilecek aksaklıklar, bazı klinik sendromlara yol açabilir. Doğum öncesi sendromlar, Pediyatrik sendromlar, Sonradan ortaya çıkabilecek kanserler, Nörodejeneratif hastalıklara yatkınlık.  Epigenetik Yeniden Programlama ▪ Embriyonik dönemde epigenetik işaretler, korunmuş bölgeler dışında, tüm genomda silinerek yeniden oluşturulmaktadır. Bu süreç, ebeveynlerden aktarılan epigenetik işaretlerin embriyoda yeniden programlanması olarak tanımlanmaktadır. ▪ Epigenetik işaretler kararlı veya dinamik yapıda olup, çevresel faktörlerin etkisiyle değişebilir. ▪ Epigenetik değişikliklerin sonraki nesillere aktarılabilmesi, epigenetik yeniden programlama mekanizmaları ile doğrudan ilişkilidir. ▪ Embriyonik gelişim sırasında epigenetik yeniden programlama iki aşamada gerçekleşmektedir. - Germ hattı yeniden programlama - Preimplantasyon yeniden programlama ▪ Germ hattı yeniden programlama: Primordiyal germ hücreleri (PGH), embriyonik dönemde olgun oosit ve spermatosite farklılaşan öncül hücrelerdir. Bu hücrelerde epigenetik yeniden programlama temel olarak, genom-boyu metilasyon profilinin silinmesini ve cinsiyete özgül şekilde yeniden oluşturulmasını kapsamaktadır. ▪ Preimplantasyon yeniden programlama: Fertilizasyonu takiben blastosist evresine kadar epigenomun silinmesi ve hücre farklılaşması döneminde DNA metilasyon profillerinin yeniden kurulması esasına dayanır. Ancak, bu mekanizma ile embriyonik gelişimde önemli olan bazı bölgelerin metilasyon profillerinin tamamen silinmediği ve programlama sürecinde korunarak kalıtılabildiği bilinmektedir.  Epigenetik Kalıtım ▪ Geçmişte genetik bilginin sadece DNA ile aktarıldığına inanılırdı. ▪ Epigenetik çalışmalar anne babanın özelliklerinin epigenetik etiketlemeler sayesinde sonraki döllere geçtiğini göstermiştir. ▪ Annenin beslenmesi fetusun epigenetiğini etkileyebilir. ▪ Stress hormonları anneden fetusa geçerek epigenomu etkilerler. ▪ Fiziksel aktivite, toksinlere maruz kalma, beslenme ve stres epigenomu etkiler. DNA metilasyonunu etkileyen bazı faktörler; ▪ Epigenetik hafıza, daha önceden maruz kalınan bir gelişimsel veya çevresel uyaran tarafından tetiklenen ve gen ifadesini etkileyen kalıtımsal değişiklikleri kapsamaktadır. ▪ Epigenetik hafızanın, DNA metilasyonuna göre daha dinamik olan histon modifikasyonları ve kromatinin yapısal değişiklikleri ile kontrol edildiği düşünülmektedir. ▪ Yapılan çalışmalarda epigenetik düzenlemelerden sorumlu olan mekanizmalardaki hataların kanser, nörolojik hastalıklar, otoimmün hastalıklar ve çeşitli gelişim bozukluklarına yol açtığı gösterilmiştir Tek yumurta ikizleri; hayata aynı genom ve aynı epigenetik etiketlerle başlarlar. ▪ Benzer çevrede yaşadıklarında epigenomları benzerdir. ▪ Farklı çevrelerde yaşarlarsa zamanla farklı epigenetik etiketler oluştururlar. ▪ İkizlerin epigenomlarındaki farklılık yaşlandıkça birbirlerinden farklı olmalarına neden olur. ▪ Epigenetik etiketler ikizlerden birinde hastalıkların gelişmesini sağlarken diğeri sağlıklı olabilir. ▪ Bu durumda hastalıktan sorumlu olan çevresel faktörlerdir. ▪ İnsanlarda epigenetik kalıtım ile ilgili yapılan çalışmalar kısıtlı olmakla birlikte, ebeveynlerin maruz kaldığı stres, beslenme ve toksik maddeler gibi çevresel faktörlerin sonraki nesillerde hastalık riski oluşturabileceğine dair çalışmalar rapor edilmiştir. ▪ II. Dünya Savaşı döneminde Hollanda’da yaşanan kıtlık sırasında, kıtlığa maruz kalan hamile kadınların çocukları incelendiğinde, bu çocukların prematüre doğdukları ve yetişkin dönemlerinde yüksek glukoz tolerans bozukluğu riski taşıdıkları saptanmıştır. Uterusda bebeğin gelişimi sırasında açlığa maruz kalınması sonucu F2 jenerasyonunda da prematüre doğum oranının arttığı tespit edilmiştir. ▪ İnsanlarda sigara kullanımı gibi toksik çevresel faktörlerin sonraki nesillere aktarımı üzerine yapılan çalışmalarda, annenin ve babanın sigara kullanımının bir sonraki nesilde diyabet, obezite ve kardiyovasküler riskleri arttırdığı bildirilmiştir. https://www.youtube.com/watch?v=MD3Fc0XOjWk https://www.youtube.com/watch?v=_aAhcNjmvhc