Genom Yapısında Tekrarlayan DNA
Genom, canlı organizmaların geçmişini ve geleceğini kaydeden bir veri kitabı veya kayıt defteridir. Kalıtsal ve biyolojik bilgileri, üç farklı zaman dilimine ait üç farklı hiyerarşik düzeyde dinamik ve eş zamanlı olarak depolar.
Birincisi, bir organizmanın gelişimini kararlı DNA dizilerinde tanımlayan karakteristik, uzun vadeli veri izlerinin korunmasıdır. İkincisi, hücresel düzeyde birkaç nesil daha ileriye taşınan orta vadeli epigenetik özellikli verilerin depolanmasıdır.
Epigenetik bilgi, nükleotid dizilerinde değil, bu dizilerin kimyasal modifikasyonlarında (örneğin, GC dinükleotid dizilerinin tekrarlayan metilasyonu) depolanır. Üçüncüsü, hücresel yaşam döngüsü sırasında meydana gelen olaylara ve değişimlere uyum sağlamak için proteinler, RNA ve DNA arasındaki dinamik etkileşimler sonucu oluşan verilerin nükleoprotein veya DNA-protein kompleksleri şeklinde depolanmasıdır.
DNA’nın üç farklı hiyerarşik seviye ve zaman dilimindeki veri oluşturma ve depolama kapasitesi, genomun hücresel aktiviteler ve kalıtımda çok çeşitli roller oynadığını göstermektedir. Genomun veri oluşturma ve depolama için biçimlendirilmesi, çeşitli özelliklere sahip DNA dizileri aracılığıyla gerçekleştirilir. Genomik sistem, tekrarlayan DNA dizilerinden oluşur. DNA dizileri (uydular), çeşitli frekanslarda sayısız kez tekrarlandıkları için bir belirteç işlevi görürler.
Genom, bilgisayar sistemlerine benzer genomik klasörler içerir. Genomların epigenetik indeksi olarak da bilinen bu genomik klasörler, kromatinin yeniden modellenmesinden ve genomik işlevlerin koordineli kontrolünden sorumludur. Tekrarlayan DNA dizileri, genomun replikasyonunda (DNA’nın bir kopyasının oluşturulması), kopyalanan DNA’nın yavru hücrelere dağılmasında ve kromatinlerin organizasyonunu sağlayan destek sistemlerinin oluşturulmasında kritik bir rol oynar.
Elektronik bilgi sistemlerinde kullanılan bellek çubukları ve sabit diskler gibi örneklerle genomik işlevleri daha iyi anlamak mümkündür. Sabit diskten farklı olarak, genomun temel bir veri-bilgi depolama ortamı olması, doğası gereği çoğaltılabilmesi ve bu çoğaltmaların yavru hücrelere aktarılabilmesidir.
Bir genomun ancak hücredeki çeşitli veri işleme modülleriyle etkileşime girdiğinde işlev kazandığını göstermek için aşağıdaki örnekler verilebilir.
- a) Hücresel DNA replikasyon sistemi tarafından genomun bir kopyası üretilir.
- b) Her genom kopyasının yavru hücrelere doğru doğru lokalizasyonu ancak kromozom ayrışma sisteminin (sentrozomlar ve mikrotübüller) çalışmasıyla mümkündür.
- c) Merkezi transkripsiyon sistemi, verilerin DNA’dan RNA’ya kopyalanmasından sorumludur. Transkripsiyon faktörleri ve bir hücre sinyalizasyon ağı yardımıyla transkripsiyon süresi ve seviyesinin düzenlenmesiyle farklı gen ifade kalıpları geliştirilir. Protein kodlayan dizilerin, çeşitli yerlere dağılmış sinyallerin ve tekrarlayan DNA dizilerinin ardışık birleştirilmesiyle son derece karmaşık bir şekilde organize edilmiş genomik sistem yapıları tasarlanır. Genom biçimlendirmesi, bilgisayar programlarının biçimlendirilmesine benzer.
Genetik Veriler ve İnsan Genom Dizisi
Bilgisayar yazılımlarının çeşitli tekrarlanan seri komutları, orijinal verilerden bağımsız olarak dosyalara adres atamak için kullanılır; farklı bilgisayar sistemleri, programları yönetmek için farklı sinyaller ve yapılar kullanır. Benzer şekilde, çeşitli canlı türleri de kodlanmış bilgileri düzenlemek ve genomlarını biçimlendirmek için sıklıkla tekrarlayan DNA dizilerini ve kromozomal yapıları kullanır.
Tekrarlayan DNA dizilerinin çeşitliliği ve çeşitliliği, farklı genomik sistem yapılarını oluşturan yapı taşlarıdır. Farklı organizmaların genomları, tıpkı farklı işletim sistemlerine ve donanımlara sahip bilgisayarlar gibi, karakteristik sistem morfolojilerine sahiptir. Örneğin, hayvan hücreleri, yabancı DNA’ları alıp genomlarına dahil etmek için iyi bir model olarak yaratılmıştır.
Aynı türdeki organizmalar arasındaki genetik veri aktarımına “dikey gen aktarımı”, farklı türler, cinsler ve sınıflar arasındaki aktarımlara ise “yatay gen aktarımı” denir. Transpozonlar gibi hareketli DNA dizileri, oldukça etkili yatay gen aktarım ajanlarıdır. Hücresel farklılaşma ve morfogenez (hücreden doku ve organ oluşumu), DNA dizisinin birincil yapısında tam olarak programlanmamıştır. Modüler programların bileşenleri esnek bir şekilde kodlanır ve gerektiğinde sürekli yenilenen ve yeniden birleştirilen bir düzenleme sağlanır.
Tek bir genomdan farklı organizmaların oluşmasının ardındaki sebep, bu genomik yapının kullanılmasıdır. Metamorfoz, yani tırtıl ve kelebek gibi omurgasızlar gibi farklı organizmaların gelişimi, bu özelliğin iyi bir örneğidir. Aynı genomik protein ve RNA kodları açısından iki organizma, iki farklı tür olarak kabul edilebilir.
Farklı organizmalar arasında farklı genomik yapılar ve dizi tekrarları, türlerin tanımlanmasında ayırt edici kriterlerdir; çünkü bu özellikler üreme hücrelerinin uyumsuzluğuna, genetik kod dizilerinin farklı ifade kalıplarına ve ekolojik çeşitliliğe yol açabilir. Bu nedenle, tekrarlanan DNA dizileri ebeveyn ilişkilerinin incelenmesinde çok önemlidir.
Günümüzde, tekrarlanan DNA dizileri olarak bilinen mikrosatellit DNA, adli bilimlerde bireyler arasındaki biyolojik ilişkileri yapılandırmak için kullanılmaktadır. Bitki türleri, kromozomlarındaki sentromerlerdeki tekrarlanan diziler bakımından farklılık gösterir; bu varyasyonlar türlerin tanımlanmasında kullanılır. Genomik sistem yapısının temel belirleyicileri, tekrarlanan DNA dizilerinin çeşitliliği, sıklığı ve genomik lokalizasyonudur.
Bunu örneklerle açıklamak gerekirse, sentromerlerde ardışık olarak tekrarlanan diziler, telomer tekrarları ve transkripsiyon, kromatin paketlenmesi, çekirdek lokalizasyonu gibi hücresel işlevlerden sorumlu genom boyunca yayılmış tekrarlanan diziler, genom sistem yapısının temel unsurlarıdır. Genom, tekrarlanan diziler kullanan iletişim ağları aracılığıyla yakından ve uzaktan kontrol edilen tek bir entegre sistemdir.
Yirminci yüzyılda Türkiye’de İslam düşüncesinin büyük öncüsü Bediüzzaman Said Nursi, Kur’an’daki “Apaçık Sicil” (36:12) kavramını açıklarken, “Apaçık Sicil”in, “şimdiki zamandan ziyade geçmiş ve gelecekle daha fazla ilgili olan İlahi bilginin bir yönünü ifade ettiğini” yazmıştır. “Bu, şeylerin görünür varoluşlarındaki gelişme biçimlerinden ziyade, kökenlerini, köklerini ve tohumlarını içeren bir İlahi Kader kitabıdır” (30. Söz, İkinci Amaç).
Bu bakış açısından ilham alan bir tohum, programlar ve dizinler olarak ve tüm bir ağacın organizasyonunda bu program ve dizinlerin belirleyicisi olarak, İlahi yaratıcı buyruğun süslü, minik bir biçimi olarak düşünülebilir. İlahi bilgi ve buyruğun bir başlığı olan Tezahür Kayıt Defteri, şimdiki zamanı değil, geçmişi ve geleceği gözlemlediğinden, bir tanenin veya tohumun genomu, bir organizmanın geleceğinin ve geçmişinin yazıldığı bir kütüphane ve arşiv görevi görür.
DNA’da Farklı Bilgileri Kodlayan Diziler
Genomda çeşitli DNA dizilerine karşılık gelen farklı bilgi türleri bulunur. Protein kodlamadıkları için uzun süre önemsiz kabul edilen bu DNA dizilerinin, aslında genomik yapıda şaşırtıcı bir dizi işlevden sorumlu olduğu bulunmuştur. Bu dizilerden bazıları şunlardır:
1) Genlerin koordineli veya ardışık ifadesini sağlayan grup belirleyici diziler,
2) DNA’nın RNA’ya transkripsiyonu sırasında başlatma ve sonlandırmada görev alan belirteç görevi gören diziler,
3) Birincil olgunlaşmamış RNA dizilerinin daha küçük işlevsel RNA moleküllerine dönüştürülmesinden sorumlu sinyal dizileri,
4) Genlerin ifade sıklığını belirleyen transkripsiyon kontrol dizileri,
5) Kromatinlerin yoğunlaştırılması ve yeniden modellenmesi için başlatma bölgelerini tanımlayan ve işaretleyen diziler,
6) Çekirdek veya çekirdekçikte genomun yer değiştirmesini etkileyen bağlanma bölgelerini oluşturan diziler,
7) Metil gibi fonksiyonel gruplarla kovalent DNA modifikasyonunun (metilasyonun) gerçekleştiği bölgeleri hedefleyen diziler,
8) DNA replikasyonunun başlatılmasından sorumlu bölgeleri kontrol eden ve tanımlayan diziler,
9) Terminal uçlarda replikasyonun tamamlanmasını sağlayan yapıları oluşturan diziler,
10) Kopyalanan DNA moleküllerinin yavru hücrelere eşit dağılımını sağlayan ayrışma noktalarındaki diziler ve sentromer dizileri,
11) DNA bağlı hataların ve hasarların onarımı sırasında rehberlikten sorumlu diziler,
12) Genomların yeniden paketlenmesinde kullanılan başlangıç noktası dizileri. Tekrarlayan diziler birçok organizmanın genomunda bulunur ve büyük bir yapısal çeşitlilik gösterir. Tekrarlayan elemanlar, heterokromatin bölgeleri için bir başlatıcı veya sonlandırıcı görevi görür.
Dahası, DNA yapısının katlanması için önemli bir iskele ve bağlayıcı nokta oluştururlar. Sanki genomun çok sınırlı bir alana sıkıştırılmasında mimari bir kalıp görevi görürler.
Genomdaki tekrar eden dizilerin oranı (%60-90), protein ve RNA kodlayan dizilerden (%10-40) çok daha fazladır. Bir örnekle açıklamak gerekirse, insan genomundaki kromozomlar, heterokromatin ve ökromatin gibi protein-DNA paketlerinden oluşur. Heterokromatin bölgeleri genellikle transkripsiyonun olmadığı bölgeleri oluştururken, ökromatin bölgeleri DNA transkripsiyonuna sahiptir.
Protein kodlayan dizilerin tüm insan DNA’sına oranı yaklaşık %1,2’dir. Ökromatin bölgelerinin yaklaşık %43’ü tekrarlayan ve hareketli DNA elemanlarından oluşur. Heterokromatin bölgesinin %18’i de uydu (yoğun tekrarlayan diziler) ve hareketli DNA elemanlarından oluşur. Dolayısıyla, insan genomik DNA’sının neredeyse %50’si bu tekrarlayan DNA dizilerinden oluşur. Ancak bakterilerde bunlar genomun yalnızca yaklaşık %5-10’unu oluşturur.
Bu diziler bugüne kadar parazitik ve işe yaramaz bireysel DNA yapıları olarak tanımlanmış ve birçok araştırmacı ve bilim insanı tarafından bu şekilde tanımlanmaya devam etmektedir. Bununla birlikte, günümüzde bile hareketli DNA elemanları ve tekrarlayan diziler genomik parazitler olarak kabul edilmektedir. Son on yılda bunun doğru olmadığını gösteren gelişmeler, tekrarlayan dizilerin genomik işlevlerdeki hayati önemini ortaya koymuştur.
Tekrarlayan DNA dizileri, kromatin (yoğun DNA ve protein paketi) yapısını iki şekilde etkiler. Düzensiz tekrarlayan DNA dizisi kopyaları, DNA’yı düzenleyen proteinler için bağlayıcı bölgeler içerir. Heterokromatin (yoğun bir şekilde paketlenmiş kromatin olduğu için daha koyu renklidir), transkripsiyonu ve rekombinasyonu engeller, replikasyonu geciktirir ve genellikle genetik kodlama içeren DNA dizilerindeki bilgilerin okunmasını engeller.
Heterokromatin bölgeleri kromozom boyunca dağılmıştır. Bu nedenle, ardışık tekrarlı dizilere sahip bölgelerin varlığı heterokromatin oluşumunu tetikler. Meyve sineklerinde, göz pigmentasyonu için gerekli olan protein kodlayan lokusların sentromerlerdeki heterokromatin bloklarının yakınına yerleştirilmesi (pozisyon etkisi fenomeni), kromozomların organizasyonu yoluyla sağlanır ve böylece fenotipik karakterlerin oluşumu engellenir. “Pozisyon etkisi fenomeni”, genomun kısmen tekrarlayan DNA dizilerinin bileşimiyle bütünleşmiş önemli bir sistem olduğuna dair ikna edici bir kanıttır.
XYY erkek meyve sineklerinde heterokromatin miktarı arttığında, göz ifadesinin yeniden düzenlenmiş pigmentasyonu azalır. XO erkeklerinde ise heterokromatin miktarı azaldığında inhibisyon şiddetli hale gelir. Özel heterokromatin spesifik DNA bölgelerine bağlanan protein seviyelerindeki değişiklikler zıt etkilere neden olur. Bu proteinlerin azalması, “pozisyon etkisi fenomenini” azaltır veya bastırır. Bu proteinlerin fazla sentezi de bu etkiyi güçlendirir.
Tekrarlayan DNA dizileri, genomun yavru hücrelere aktarılmasında önemli bir rol oynar. Örneğin, mikrotübüller için kromozomal bağlanma bölgeleri olarak sentromerlerin oluşumunda, gamet oluşumu sırasında kromozomların doğrusal terminallerinin çoğaltılmasında ve kromozomal eşleşmede görev alırlar. Tekrarlayan dizilerin dağılımı, genomik fonksiyonların yapılandırılmasında önemli bir rol oynar. Her genom, büyük ölçüde tekrarlayan DNA dizilerinin miktarına bağlı olarak şekillenen bir genomik sistem yapısına sahiptir.
Nursi’nin Kitab-ı Mukaddes’e ilişkin açıklamalarına dönersek, kâinat kitabı ile vahiy kitabı arasında bir paralellik kurabiliriz. Bunlardan ilki, genomdaki bazı dizilerin, önem ve zaruretten dolayı tekrarlandığını, tıpkı Kur’an’da birçok ayetin, farklı anlam, fayda ve gayelere işaret eden nüanslarla sık sık tekrarlandığını ve bu sayede daha geniş bir yorumlama alanı açıldığını göstermektedir.
Genom, yalnızca protein ve RNA kodlarını içeren bir kitap değil, aynı zamanda hücresel canlılık için birçok işlevi olan karmaşık bir sistem yapısına da sahiptir. En çok ihtiyaç duyulan diziler, daha sık tekrarlananlardır. Öngörüldüğü gibi çöp DNA parçaları değil, İlahi olarak inşa edilmiş mücevherlerdir.
Referanslar
- Shapiro JA 2001. “Hesaplama ve İşlev için Genom Biçimlendirme: Evrimde Genom Organizasyonu ve Yeniden Organizasyonu: Hesaplama ve İşlev için Biçimlendirme.” 25-28 Kasım 2001 tarihleri arasında Belçika, Ghent Üniversitesi’nde düzenlenen “Genomun Bağlamlandırılması” sempozyumunda sunulmuştur (Ann. NY Acad. Sci., basımda).
- Shapiro, JA 2005. “Evrimin 21. yüzyıl görünümü: genom sistemi mimarisi, tekrarlayan DNA ve doğal genetik mühendisliği.” Gene 345, ss: 91–100.
- Shapiro JA ve Sternberg RV 2005. “Tekrarlayan DNA’nın genom işlevi için neden önemli olduğu.” Biol. Rev., 80, s. 1–24. Cambridge Felsefe Derneği.
———-
Fountain Dergisi’nin 93. Sayısı / Mayıs – Haziran 2013 sayısından ufak editoryal değişikliklerle alınmıştır.
