Ana sayfa 141. Sayı 2015 Nobel Kimya Ödülü: DNA onarım mekanizmalarının keşfi

2015 Nobel Kimya Ödülü: DNA onarım mekanizmalarının keşfi

464
PAYLAŞ

Derleyen: Selen Özkan

Tomas Lindahl, Aziz Sancar ve Paul Modrich hücrenin kendi DNA’sını onarma mekanizmalarını ortaya çıkarmalarından ve bu sayede genetik bilgilerin nasıl korunabildiğini açıklamalarından dolayı 2015 Nobel Kimya Ödülü’ne layık görüldüler. Aziz Sancar’la birlikte, bilim alanında ilk kez bir Türk biliminsanı ödül aldığı için, Nobel Kimya Ödülü’nün ülkemizdeki yankısı güçlü oldu.

İsveç Kraliyet Bilim Akademisi, 2015 Nobel Kimya Ödülü’nü aralarında bir Türk’ün de bulunduğu üç biliminsanına verdi. İngiltere’deki Francis Crick Enstitüsü ve Clare Hall Laboratuvarı’nda çalışan Tomas Lindahl, Amerika’daki Howard Hughes Tıp Enstitüsü ve Duke Üniversitesi Tıp Fakültesi’nde çalışan Paul Modrich ve Amerika’daki Kuzey Carolina Üniversitesi Tıp Fakültesi’nde çalışan Aziz Sancar, hücrenin kendi DNA’sını nasıl tamir ettiği ve bu sayede genetik bilgilerini nasıl koruyabildiğine dair açıklamaları ve haritalamalarından dolayı bu ödüle layık görüldüler.

İnsanı insan yapan özellikler, 23 kromozomlu spermle 23 kromozomlu yumurtanın birleşimiyle ortaya çıkıyor. Birlikte, genom adını verdiğimiz, her insanda korunmuş olarak bulunan bu genetik materyali oluşturuyorlar. Organlarımız, saçlarımız, derimize kadar her şey bu birleşimden ortaya çıkan ilk hücreden, onun içinde yer alan DNA materyalinden gelişerek gerçekleşiyor. Daha sonra bu hücrenin bölünmelerinden ve farklılaşmalarından yola çıkarak, her hücre içinde aynı genetik materyali de barındırarak gelişim sürüyor. Vücudumuzda gerçekleşen kimyasal olaylar mutasyonlarla baş etmek zorunda ve bu durum DNA için de geçerli. DNA, zararlı radyasyona ve reaktif moleküllere karşı devamlı tehlike altında.

Ama DNA’mız, moleküler onarım mekanizmaları sayesinde senelerce yapısı bozulmadan kendini korumayı başarıyor. Bu mekanizmadaki proteinler sürekli olarak genom üzerinde dolaşarak onu herhangi bir darbeye karşı korumakla görevli.

DNA’nın onarım mekanizmasını moleküler seviyede göstermeyi başaran Tomas Lindahl, Paul Modrich ve Aziz Sancar’ın sistematik çalışmaları sayesinde, yaşayan hücrelerinin fonksiyonlarını nasıl sürdürdüğü, kalıtsal pek çok hastalığın moleküler seviyede nedeni, kanser gelişimi ve yaşlanmanın mekanizmaları gibi pek çok alanda kesin sonuçlara dayalı bilgiler elde edilebildi. Üç biliminsanı da, birbirlerinden bağımsız olarak insanlarla alakalı pek çok DNA onarım aşamalarını haritaladılar. Bu üç biliminsanının çalışma alanları, Tomas Lindahl ile başlar.

Tomas Lindahl:  Baz çıkarımlı tamir mekanizmasını buldu

Amerikalı Tomas Lindahl, 1960’lı yıllarda DNA’nın ne kadar stabil olabildiğini sorgulamaya başladı. O zamanlardaki bilimsel kuruluşlar DNA’nın dirençli olduğu bilgisinden öteye gitmeye gerek duymayarak bu konuya odaklanmamışlardı. Lindahl, Amerika’da Princeton Üniversitesi’nde doktora sonrası çalışmalarını yapmaktayken, DNA’yla kuzen olan RNA molekülünü çalışmaktaydı. RNA, DNA’dan çok daha hassas bir moleküldü, Lindahl bunu, RNA’yı ısıtınca molekülün parçalandığını gözlemleyerek gördü; DNA’ya bu kadar yakın olan RNA molekülün bu kadar kolay parçalanması merakını ateşledi ve DNA’nın nasıl yaşam süresince kendini korumayı başarabildiğini sorgulamasına yol açtı.

Bu sıralarda İsveç’e taşındı ve Stockholm’de Karolinska Enstitüsü’nde çalışmaya başladı. Aklındaki sorulara yönelik yaptığı birkaç deney sonucunda gördü ki, DNA yavaş ama yadsınamayacak bir bozulma yaşıyordu. Lindahl, genomun her gün yüz binlerce yaralanmaya maruz kaldığını düşünerek, DNA’nın bütün bu yaralarını onaracak birtakım moleküler sistemler olması gerektiğini öne sürdü ve böylece koskoca yeni bir araştırma alanının kapılarını açtı.

Lindahl, insan DNA’sına çok benzeyen ve aynı şekilde adenin, timin, guanin, sitozin bazlarından oluşan nükleotidlere sahip bakteri DNA’sını kullanarak, DNA onarımında görev alan tamir enzimlerini aramaya başladı. DNA kimyasal olarak zayıflığına sebep olan bir duruma göre, sitozin bazlı amino grubunu kaybetmeye fazla meyilli olduğundan, böyle bir durumda genetik bilgide değişimlere sebep oluyor. DNA’nın çift sarmal yapısında, sitozin her zaman guanin ile eşleşir, ancak amino grubunu kaybeden bir sitozin, bu kez adenin bazıyla eşleşiyor. Eğer bu değişim onarılmadan devam ederse, DNA’nın bir dahaki replikasyonunda mutasyona sebep olur. Lindahl hücrenin bu probleme karşı bir koruması olduğunu keşfetti ve amino grubu kopan sitozinleri DNA’dan kaldıran bir bakteriyel enzim bulmayı başardı. Çalışmasını 1974’te yayımladı.

35 yıllık başarılı bir çalışmanın ilk adımı olan bu çalışmasına İngiltere’de devam ederek, Francis Crick Enstitüsü’nde Clare Hall Laboratuvarı’nın yöneticisi oldu. Daha sonraki senelerde DNA onarımında görev alan pek çok proteini de buldu. Bulduğu bu enzimlere benzer işlevi olan glikozilaz enzimlerinin görev aldığı baz çıkarımlı (eksizyon, kesip çıkarma) tamir mekanizmasının moleküler gösterimini buldu. Baz çıkarımlı tamir insanlarda da olan bir mekanizma olmakla birlikte, Lindahl 1996’da insanlardaki tamir mekanizmasını laboratuvar ortamında yapay olarak oluşturmayı başardı.

Aziz Sancar: Nükleotid çıkarımlı tamir mekanizmasını buldu

Tomas Lindahl’ın araştırmalarında belirleyici bir faktör, DNA’nın kendi hücresi içinde korunaklı çevre koşullarındayken bile değişimler geçirdiğini fark etmek oldu. Ancak, DNA’nın UV radyasyon gibi çevresel faktörlerden dolayı hasara uğradığı bilinmekteydi. UV radyasyonuyla oluşan hasarı gidermede pek çok hücre tarafından kullanılan nükleotid çıkarımlı (eksizyon) tamir Amerika’da yaşamakta olan Aziz Sancar tarafından haritalanarak gösterildi.

Aziz Sancar, İstanbul Tıp Fakültesi’nde okumuş Mardin doğumlu bir biliminsanı. Mezun olduktan sonra birkaç yıl Mardin’de pratisyen hekim olarak çalıştı, ancak daha üniversite yıllarındayken biyokimyaya ilgi duymaya başladı. Bu alana ilgisini tam anlamıyla yönlendirmesine sebep olan olay şuydu: Bakterilerin ölümcül dozlarda UV radyasyonuna maruz kalmalarına rağmen, eğer gözle görülür mavi ışıkla tedavi edilirlerse iyileşmeyi başarmaları. Sancar bu sihirli olayın işlevsel olarak nasıl gerçekleştiğini öğrenmek isteyerek ilgisini bu doğrultuda yoğunlaştırdı. Böylece Aziz Sancar, bu fenomene yoğunlaşan Claud Rupert adlı Amerikalı araştırmacının Dallas’taki Teksas Üniversitesi’ndeki laboratuvarına katıldı. 1976’da, o zamanın teknolojisiyle, UV hasarlı DNA’yı tamir etmede görev alan fotoliyaz enziminin genini klonlamayı başararak ve bu geni laboratuvar koşullarında bakterilere aktararak enzimi yüksek miktarda üretmeyi başardı.

Bu çalışması doktora tezini yazması için yeterli olduğu halde, Sancar bu alandaki çalışmalarına devam etmek istedi. Doktora sonrası eğitimi için başvuruları reddedildiğinden, Yale Üniversitesi’nde teknisyen olarak işe girdi ve DNA tamiri üzerine yapmak istediği laboratuvar çalışmalarına burada devam edebildi. Burada başlattığı çalışmaları Nobel Kimya Ödülü ile sonuçlandı.

Bakterilerin UV hasarını tamir etmek için kullandığı iki mekanizması olduğu o zamanlar kesin olarak bilinmekteydi; bunlardan biri ışığa bağımlı fotoliyaz sisteminin yanı sıra, ikinci bir sistem olan karanlıkta işlevsel olan bir tamir mekanizması keşfedilmişti. Aziz Sancar’ın Yale Üniversitesi’ndeki iş arkadaşları 1960’lardan beri karanlık sistemdeki mekanizmayı çalışmaktaydılar ve bunun için üç farklı mutasyona sahip UV’ye duyarlı bakterileri kullanarak üç faklı genetik çeşitliliği ayrı ayrı incelemekteydiler.

Fotoliyaz ile ilgili önceki çalışmalarındaki gibi, Sancar karanlık sistemin moleküler mekanizmasını araştırmaya başladı. Birkaç yıl içinde bu mutasyona sebep olan üç genin enzimlerini tanımlayıp, izole edip, karakterize etmeyi başardı. Laboratuvar ortamında yapay olarak gerçekleştirdiği çığır açan deneyleriyle bu enzimlerin DNA üzerindeki UV hasarını tanımladıklarını, tespit ettikleri yerdeki DNA zincirini iki tarafından da kestiklerini keşfetti. Hasarlı kısmı da kapsayan 12-13 nükleotidlik bir kısmın böylece koparıldığını gözlemledi. Bu çalışmalarını 1983’te yayımladı.

Bu keşif araştırma alanında büyük bir değişikliğe yol açtı. Bu başarısı sayesinde Kuzey Carolina Üniversitesi’nde biyokimya alanında doçent olarak iş teklifi aldı. Burada aynı hassasiyetle nükleotid çıkarımlı tamir mekanizmasının DNA’yı kesme aşamasından sonraki aşamalarını da haritaladı. Tomas Lindahl’ın da aralarında olduğu pek çok araştırmacının çalışmalarına paralel olarak, Aziz Sancar nükleotid çıkarımlı tamir mekanizmasının insanlarda nasıl işlediğini araştırdı. İnsanlardaki UV hasarlı DNA tamir mekanizması bakterilere kıyasla daha kompleks olmasına rağmen, kimyasal olarak mekanizma bütün organizmalarda benzer şekilde ilerliyor.

Böylece Aziz Sancar, fotoliyaz enzimine geri dönerek, bu enzimin bakteriyi iyileştirmede izlediği mekanizmayı araştırdı. Buna ek olarak insanlarda fotoliyaz enzimine eşdeğer olan enzimin, insanların biyolojik saatleriyle ilişkili olduğunu keşfetti.

Paul Modrich: Yanlış eşleşme tamir mekanizmasını buldu

Paul Modrich, Kimya Nobel Ödülünü Tomas Lindahl ve Aziz Sancar ile paylaşan 3. biliminsanı, Amerika’da New Mexico’nun küçük bir şehrinde dünyaya geldi. Zamanla doğaya olan ilgisi arttı ve bir gün biyoloji öğretmeni olan babası ona DNA ile ilgili şeyleri çalışmasını önerdi. Bu dönem, 1963 yılı, James Watson ve Fransis Crick’in DNA’nın yapısını keşfettiği için Nobel Ödülü aldığı zamana tekabül ediyordu.

İlerleyen yıllarda Modrich DNA’ya gitgide artan bir ilgi duymaya başladı. Araştırma kariyerinde Stanford Üniversitesi’nde doktora yaparken, Harvard’da doktora sonrası eğitimi yaparken ve Duke Üniversitesi’nde doçentlik yaparken DNA’yı etkileyen pek çok enzimi inceledi. 1970’lerin sonuna doğru ilgisini dam metilaz adında bir enzime yönlendirdi. Bu enzimin görevi DNA’ya metil gruplarını eklemek. Modrich, bu metil gruplarının DNA’yı işaretlemede kullanıldığını, bu sayede birtakım restriksiyon enzimlerine yardım ederek DNA’nın doğru yerlerden kesilmesini sağladığını gördü. Ancak sadece birkaç yıl önce, Harvard Üniversitesi’nden bir moleküler biyolog olan Matther Meselson, DNA’daki metil grupları için farklı bir sinyal işlevi modelini önermişti.

Meselson  moleküler biyoloji becerilerini kullanarak bakterilere özel, DNA’sında yanlış bazlarla eşleşmiş dizilime sahip (örneğin; adenin-timin eşleşmesi yerine adenin-sitozin eşleşmesi gibi) bir virüs geliştirdi.  Bu virüsü bakteriye  enjekte ettiğinde bakteri bu yanlış eşleşmeleri düzeltmeyi başardı. Bakterinin böyle bir fonksiyonu neden geliştirdiği bilinmiyordu, ancak 1976’da Meselson bunun DNA eşleşmesi sırasında yanlış eşleşmeleri düzelten bir tamir mekanizmasından kaynaklanabileceğinden şüphelendi. Meselson buradan yola çıkarak, DNA üzerindeki metil gruplarının, bakterinin DNA tamiri sırasında hangi DNA zincirini şablon olarak kullanmasını belirtmek için bir işaret olarak kullanılabileceği fikrini önerdi. Böylece şablon yani doğru olan zincir metil ile işaretlenmiş, hatalı zincir ise işaretlenmemiş oluyor, böylelikle hangi zincirin tamir edileceğine dair bir sinyal verilmiş oluyordu.

Paul Modrich ve Matthew Meselson’un yolları bu sayede kesişti ve birlikte çalışarak DNA’sı üzerinde yanlış eşleşmeler bulunan bir virüs dizayn ettiler. Modrich’in dam metilaz enzimi de dahil edilerek yapılan deneyde, virüs bakteriye saldırdığında, enzimin bakterinin hatalı zincirine metil grubu eklediği, bakterinin de metil grubu olmayan DNA zincirini düzelttiğini gözlemlediler. Modrich ve Meselson’un sonucuna göre DNA yanlış eşleşme tamirinin, DNA eşleşirken gerçekleşen doğal bir mekanizma olduğu, bu mekanizmanın da metillenmemiş DNA zincirinin değişimiyle işlediği keşfedildi.

Paul Modrich için bu keşif birçok sistematik çalışmayı başlattı, yanlış eşleşme tamiri aşamalarında görev alan enzimleri ardı ardına klonlayarak ve haritalayarak çalışmalar sürdürüldü. 1980’lerin sonuna doğru bulduğu ve 1989’da yayımlanan çalışmasında, bu kompleks moleküler tamir mekanizmasını laboratuvar koşullarında yapay olarak gerçekleştirmeyi başardı ve detaylı bir şekilde inceledi.

Paul Modrich daha sonrasında bu mekanizmanın insan hücrelerindeki versiyonunu da çalıştı, tıpkı Tomas Lindahl ve Aziz Sancar gibi. Bugün, insan genomu kopyalanırken oluşan hataların yanlış eşleşme tamir mekanizması tarafından düzeltildiğini biliyoruz; ancak insan yanlış eşleşme tamir mekanizmasında hâlâ orjinal zincirin tam olarak nasıl tanımlandığı bilinmemekte. DNA metilasyonu, bakterilerden farklı olarak insan genomu üzerinde pek çok farklı görevde rol alır. Bu yüzden ayrıca birtakım faktörlerin DNA zincirini tanımlamakta kullanıldığı düşünülmekte.

DNA korumasında baz çıkarımlı tamir, nükleotid çıkarımlı tamir ve yanlış eşleşme tamiri dışında da pek çok mekanizma görev almakta. Güneş, sigara, genotoksik maddeler gibi pek çok faktörün sebep olduğu DNA hasarları her gün tamir edilmekte. Eğer bu tamir mekanizmalarından yalnızca biri bile çökerse, genetik bilgi değişikliğe uğrar ve kanser riski artar. Örneğin, nükleotid çıkarımlı tamir aşamasında oluşan doğuştan gelen hasarlar, bu bireylerin UV radyasyonuna karşı aşırı hassas olmalarına ve güneşe maruz kaldıklarında cilt kanseri olmalarına sebep oluyor. Bir başka örnek olarak, DNA yanlış eşleşme tamiri sistemindeki aksaklıklar kalıtsal kolon kanserine sebep oluyor.

Kanserin pek çok formunda bu tamir mekanizmalarından bir veya birkaçı kısmen ya da tamamen çalışmaz haldedir. Bu nedenle kanser hücrelerinin DNA’sı stabil kalamaz ve sürekli mutasyon geçirip kemoterapiye bile dirençlerini koruyabilmelerine sebep olur. Bu kanserli hücreler, hücrede var olan diğer tamir mekanizmalarına daha da bağımlı haldedir. Tamir mekanizmalarının hepsinin ortadan kalkması, kanserli hücrelerin ölümüne sebep oluyor. Araştırmacılar, kansere karşı ilaç geliştirirken bu zayıflıktan yola çıkıyorlar. Kalan tamir sistemlerini engellemek, kanserli hücrenin büyümesini yavaşlatır ve hatta durdurur.

Sonuç olarak, 2015 Kimya Nobel Ödülüne layık görülen bu keşifler yalnızca canlıların temel işleyişleri hakkında değil, aynı zamanda hayat kurtaran tedavilerde de gelişime öncülük etmiştir ve edecektir.