EPİGENETİK MEKANİZMALAR Yrd.Doç.Dr. Müzeyyen İZMİRLİ Tıbbi Biyoloji AD

Çok hücreli bir organizmada; bir karaciğer hücresi ile bir sinir hücresi, aynı genotipe sahipken, nasıl olur da, birbirinden çok farklı hücre fonksiyonlarına ve gen ifade profillerine sahip olabilmektedirler?

Santral Dogma DNA RNA Protein

Bu soru yıllar boyunca bilim adamlarının kafasını yormuş ve bu konuda çok araştırma yapılmasına neden olmuştur. Tüm bu çalışmalar neticesinde elde edilen verilere göre belli genlerin aktivasyonunun ne zaman ve nasıl olacağının belirlenmesi epigenetik mekanizmalar dediğimiz sistem tarafından kontrol edildiği ortaya çıkmıştır.

Epigenetik Nedir? Epigenetik, genotipik değişikliklerden kaynaklanmayan, ama aynı zamanda kalıtımsal olan, gen ekspresyonundaki farklılıkları inceleyen bilim dalıdır. Gen ekspresyonuna dayanan kalıtsal bilgi epigenetik olarak sınıflandırılır. Bu, genetik bilginin aksine gen dizisi ile ilişkili değildir.

Yani fenotipik farklılıklardaki, kalıtımsal olup genetik olmayan mekanizmaları incelemektedir . Bu olayın moleküler temeli karmaşık bir olaydır ve belli genlerin aktivasyonunun ne zaman ve nasıl olacağını belirler. Epigenetik değişimler genlerin sessizleşmesine (silencing) neden olurlar. Bu da geni inaktive edici bir mutasyon veya delesyon gibi genetik bir mekanizmayla eşdeğerdir.

İyi bir müzik dinletisinin ortaya çıkması için, doğru zamanda doğru enstrümanların çalmasını sağlayan bir orkestra şefine benzetilebilir.

Bu süreç içerisinde erişkinlerde hücre yenilenmesi, X kromozom inaktivasyonu gibi olaylar gerçekleşmektedir. Eğer bu süreç bozulursa kanser, otoimmun hastalıklar ve nörolojik hastalıkların ortaya çıkması söz konusudur .

Ancak epigenetik değişimler geri dönüşümlü oluşları ve DNA’nın baz dizisinde bir değişime neden olmamaları gibi özellikleriyle genetik değişimlerden ayrılırlar.

Epigenetik Mekanizmalar doğrudan gen ifadesini kontrol eden mekanizmalar dolaylı olarak gen ifadesini kontrol eden mekanizmalar

Doğrudan Gen İfadesini Kontrol Eden Mekanizmalar kromatin düzeyindeki modifikasyonlar DNA düzeyindeki modifikasyonlar

Kromatin Düzeyindeki Modifikasyonlar Bu modifikasyonlar hem kovalent hem de nonkovalent olabilirler. Genlerin sessizleşmesine neden olurlar. Bu da geni inaktive edici bir mutasyon veya delesyon gibi genetik bir mekanizmayla eşdeğerdir.

Genin transkripsiyon aşamasının düzenlenmesini sağlayan faktörlerdir.  A. Kovalent Histon Modifikasyonları Asetilasyon, Metilasyon, Fosforilasyon, S-nitrosilasyon, Ubikitinasyon Sumolasyon Genin transkripsiyon aşamasının düzenlenmesini sağlayan faktörlerdir.

Asetilasyon: Histon proteinlerinin lizin rezidüsüne asetil gruplarının bağlanması olarak tanımlanabilir. Asetilasyonu taklit edebilecek mutasyonların oluşması posttranslasyonel modifikasyonları ve deasetilaz aktiviteyi etkilemektedir. Histon asetilaz enzimi Histon deasetilaz enzimi

Histon Asetilasyonu Hiperasetilasyon (sarı): Hipoasetilasyon:Nükleozomlar arası güçlü bağlantılar Histon Asetilasyonu Histone deacetylase Hiperasetilasyon (sarı): Nükleozomlar arası zayıf bağlantılar: Histon uçları DNA’yı sınırlamaz ve transkripsiyon faktörleri DNA’ya bağlanabilir.

Metilasyon: Histon metiltransferaz enzimleri tarafından histon proteinlerinde bulunan amino asitlere 1, 2 veya 3 tane metil grubu (tri metilasyon) eklenmesi olayıdır. Bir genin ifade edilip edilmeyeceğini o geni açık veya kapalı konuma (switch on- switch off) getiren olay, bu ve benzeri modifikasyonlardır. Açık/Kapalı gen setleri bulunduğu hücre tipine göre farklılık gösterir.

Fosforilasyon: Histon deasetilazlara geri dönüşümlü olarak fosfat gruplarının bağlanmasıdır. Fosfatlar histon deasetilazlara serin, treonin ve tirozin rezidülerinden bağlanır. Fosforilasyon protein kinazlar (PK) ve protein fosfatazlar (PP) tarafından gerçekleştirilen bir reaksiyondur.

S-nitrasilasyon: Histon deasetilazlara sistein rezidüsünden nitrosil (NO) grubunun eklenmesi olayıdır. Bu olay katalitik aktiviteyi etkiler ve bunun neticesinde kromatinden korepresörlerin ayrılamamasına neden olur.

Ubukitinasyon: Ubukitin (Ub) lizin rezidüsü ile bağlanabilen küçük bir proteindir. Üç aşamalı bir enzimatik reaksiyonun oluşumuna neden olur. Bu reaksiyonlar, E1, E2, E3 enzimleri tarafından gerçekleştirilir. Ubukitinasyon neticesinde, proteinlerin yıkılma yolu olan proteosom yolağına proteinlerin girmesine ve degrade olmasına neden olur.

Sumolasyon: SUMO (small ubuquitin-like modifier) 1,2,3 proteinlerinin ubukitin ile birleşmesi olayıdır. Ubukutine benzer bir protein olan SUMO proteinleri lizin rezidülerinden proteinlere bağlanır ve bu olay neticesinde protein degradasyonu engellenir.

B. Nonkovalent Histon Modifikasyonlar Histon takasları, histon kalıtımları, kromatin tamiri, nonkoding RNA ile etkileşim, diğer ajanlarla etkileşim (virüsler, farklı protein grupları) uzun-mesafe kromozom etkileşimleri (hem kromozom-içi hem kromozomlar-arası) nonkovalent histon modifikasyonları olarak sayılabilir.

Tüm bu mekanizmalar, kromatin yapısında değişiklikler oluşturarak transkripsiyonu düzenleyici komplekslerin DNA’ya ulaşabilirliğini etkilerler. Ayrıca birçok histon modifikasyonu geri dönüşümlüdür ve modifikasyon seviyesi ile transkripsiyon seviyesi sıkı ilişki içerisindedir.

II. DNA düzeyindeki modifikasyonlar DNA düzeyindeki modifikasyonların en bilinen ve en işlevsel olanı DNA metilasyonudur. DNA metilasyonu, DNA'nın bir kimyasal değişimidir, kalıtsal olup sonradan ilk dizi geri gelecek şekilde çıkartılabilir. Bu özelliği nedeniyle epigenetik koda aittir ve en iyi karakterize edilmiş epigenetik mekanizmadır. 

DNA METİL TRANSFERAZLAR (DNMTs) Omurgalılarda tipik olarak CpG bölgelerine DNA metiltransferaz enzimi ile bir metil grubunun bağlanması neticesinde gerçekleşir. Metil grubu DNA’nın sitozin bazının pirimidin halkasının 5 numaralı karbonuna eklenir. Metil vericisi olarak S-Adenozil Metiyonin (SAM) görev yapar. DNA METİL TRANSFERAZLAR (DNMTs)

5-metil sitozin varlığı, bulunduğu kromozom bölgesinde lokalize olan genlerin sessizleşmesine yol açar.

Metilasyon DNA’nın inaktive olmasına neden olarak protein ekspresyonunu engelleyen bir sistemdir. Erişkin somatik dokularda DNA metilasyonu tipik olarak CpG dinükleotit dizilerinde meydana gelir. CpG dışı metilasyon embriyonik kök hücrelerde hâkimdir.

DNA metilasyonu kanserin oluşum sürecini etkiler. DNA tamiri Hormonal Regulasyon Karsinojen Metabolizması DNA Metilasyonu Farklılaşma Hücre Siklusu Apoptoz

İnsan kanserlerinde DNA metilasyon değişimlerinin 2 genel tipi gözlenmektedir: 1. Genomik Hipermetilasyon 2. Genomik Hipometilasyon

1. GENOMİK HİPERMETİLASYON Başta tümör supresör genler olmak üzere genomda hayati fonksiyonu olan pek çok gen hipermetile hale getirilerek sessizleştirilir ; DNA tamir genleri, hücre siklus regülatörleri, apoptozis ve detoksifikasyonla ilişkili genler gibi..

2. GENOMİK HİPOMETİLASYON CpG adaları hipermetile olduklarında, kanser hücre genomları da göze çarpar bir şekilde global hipometilasyona uğrarlar. Habis bir hücre normal halinden %20-60 daha az genomik 5-metil sitozin içerebilir. Bu metil grubu kaybı, kodlayıcı alanlar ile intronların hipometilasyonu ve tekrarlayıcı dizilerin demetilasyonu sebebiyle gerçekleşir.

Proto-onkogenlerin Hipometilasyonu

POST-TRANSKRİPSİYONEL MEKANİZMALAR Dolaylı Yoldan Gen İfadesini Kontrol Eden Mekanizmalar POST-TRANSKRİPSİYONEL MEKANİZMALAR RNA İNTERFERENCE (RNAi)

Post-transkripsiyonel (transkripsiyon sonrası, yani ana DNA molekülünden RNA molekülü elde edildikten sonra) mekanizmaları özellikle de nonkoding RNA’nın (RNAi vb.) kodlayıcı RNA (mRNA)’yı etkileyerek protein sentezini engellemesini içerir.

RNA interferens, çift zincirli RNA (double stranded RNA; dsRNA) tarafından başlatılan dizi spesifik post-transkripsiyonel gen sessizleştirme sürecidir.

miRNA genlerinin %50’den fazlası kanserle ilişkili genomik alanlarda veya frajil sitelerde lokalizedir. Bunların tümör supresör gibi davranarak onkogenleri inhibe ettikleri veya tam tersi olarak onkogen gibi hareket ederek tümör supresörleri inhibe ettikleri gösterilmiştir.

Terapötik siRNA’lar Hastalık KANSER siRNA hedef geni p53 mutant K-Ras BCR-ABL MDR1 C-RAF Bcl-2 VEGF PKC- Β-Catenin KANSER