Görsel açıklaması: Kültür içindeki insan embriyonik böbrek hücrelerinin mikroskopik görüntüsü. Hücreler, yeni optogenetik araç olan LOV2-NES hibridi ile bağlantılı olarak, parlak bir protein üretmek için genetik olarak değiştirildi. Lazer ışını ile ışınlandırılan hücreler (mavi oklar), proteinin çekirdekten dışa aktarımında etki gösterdi. Işınlandırılmamış hücreler (kırmızı oklar) proteinin çekirdek lokalizasyonunu gösteriyor.
Işık, genetiği değiştirilmiş ve ışığa duyarlı bitki proteinlerin yardımıyla hücre çekirdeklerinden protein taşınmasının kontrolünde kullanılabilir. Heidelberg Üniversitesi’nden biyologlar ve optogenetik alanında çalışan Alman Kanser Araştırma Merkezi (DKFZ) bir alet geliştirmeyi başardı. Dr. Barbara Di Ventura ve Prof. Dr. Roland Eils yönetimindeki araştırmacılar, sentetik biyolojik metotlar kullanarak yulaf bitkisinden bir taşıma sinyaliyle bir ışık sensörünü birleştirdiler. Bu sayede memeli hayvanlarda harici ışık uygulayarak konumun ve buna bağlı olarak protein aktivitesinin kontrolü mümkün oldu. Araştırmanın sonucu Nature Communications dergisinde yayımlandı.
Heidelberg Üniversitesi BioQuant Merkezi Direktörü ve DKFZ ve Ruperto Carola Biyoinformatik Bölümü Başkanı Prof. Eils, “Hücre çekirdeği (karyoplazma) ve geri kalan kısım (protoplazma) arasındaki ayrılık ökaryotik hücrelerde karakteristiktir. Bu ayrışma genetik bilginin okunma ve kopyalanma mekanizmaları, protein sentezi ve enerji üretimi gibi diğer hücresel süreçlerin neden olduğu bozulmalardan korur” diye açıklıyor.
Proteinler ve diğer makromoleküller çekirdek por komplekslerinden geçerek biyolojik süreçlerin kontrolü için hücre çekirdeğinden dışarı çıkar. Küçük proteinler çekirdek porlardan pasif olarak kolayca difüze edilirken, daha büyük parçacıklar “sözde taşıyıcı proteinler” ile bir gezintiye çıkacaklardır. Genellikle protein yüzeyindeki kısa sinyal peptitleri protein taşınması için hazır olunca taşıma görevini yerine getirir. Bu sinyal hücre içine taşıma için çekirdek lokalizasyon sinyali (NLS) ve hücre dışına taşıma için ise çekirdek sekans dışa aktarımı (NES) olarak bilinir. Prof. Eils’in bölümünden grup lideri Dr. Di Ventura, seçilmiş protinlerin içe aktarımı veya dışa aktarımının tetiklenmesiyle, yaşayan hücrelerdeki etkinliğinin denetlenmesini sağlayabileceklerini belirtiyor.
Di Ventura’nın laboratuvarı sentetik biyolojiyle ilişkili bu yeni alanda, yaşayan hücrelerde ışığın fonksiyonel olarak açık veya kapalı olmasına göre optik ve genetik metotları birleştiren optogenetikte uzmanlaşmış. Böylece ışığa duyarlı proteinler genetik olarak değiştirilmiş ve sonra ışığı kullanarak spesifik hedef hücrenin denetimini mümkün kılmıştır.
Henüz yayımlanan çalışma, geçmiş çalışmalara da dayalı olarak, diğer araştırma gruplarının aslen yulaf bitkisinden gelen LOV2 etki alanının keşfiyle de bir optogenetik dışa aktarım sistemi öneriyor. Bu etki alanı, doğada –diğer etmenlerle birlikte- bitkinin gün ışığına yönelmesini sağlar.
Çalışmanın başyazarlarından Dominik Niopek: “LOV2 etki alanı, esasen mavi ışıkla karşılaştığı anda üç boyutlu yapısını değiştirir” diye belirtiyor. Işık ile indüklenmiş yapının, nükleer dış aktarım sinyali (NES) gibi, hücresel sinyal sekansları da sentetik olarak artık denetim altına alınabilir. Dominik Niopek, önce yulafın LOV2 etki alanından yapılmış ve bir sentetik nükleer dışa aktarım sinyalinden oluşan bir hibrid geliştirdi. Karanlık durumda, sinyal LOV2 etki alanı saklanır ve hücrede gözlenmez. Işık, NES’i işlevsel kılıp LOV2 etki alanının yapısını değiştirir ve hücreden dışa aktarımı tetikler.
Prof. Eils, “Prensip olarak LOV2-NES hibrid proteini herhangi bir hücresel proteine eklemlenebilir ve ışık kullanılarak çekirdekten dışa aktarımı kontrol edilebilir” diye belirtiyor. Araştırmacılar hücre bölünmesi esnasında genetik deformasyonları önleyen ve kanser baskılayıcı gen ailesinin üyesi p53 proteinini kullanarak bulgularını ispat etmeyi başardılar.
Roland Eils’e göre, tümör hücrelerinin kontrolsüz biçimde üremesine sebep olan zararlı genetik mutasyonlar esnasında p53 proteini inaktif durumdadır. LOV2-NES protein kompleksini kullanan Heidelberg araştırmacıları, gen düzenleyici fonksiyonları kontrol etmek için, ışık kullanarak, p53 proteininin çekirdekten dışa aktarımını denetim altına almayı başardılar. Bu yeni yetenek doğrudan, yaşayan memeli hücresinde p53 proteininin geniş kapsamlı potansiyel fonksiyonlarının aydınlatılmasında rol oynayabilir.
Dr. Di Ventura, “Kanser gelişiminde p53 proteinindeki olası bozulmaların rolünü yeni bulgularla açıklamayı umuyoruz. Araştırmacılar bu yeni optogenetik aracın, hücre davranışları üzerindeki etkisinin ve protein dışa aktarımı dinamiklerinin keşfinde kullanılabileceğine inanmış vaziyetteler” diyor.
Prof. Eils, “Bizim araştırmamız geliştirdiğimiz araç kadar iyi. İnovatif moleküler araçların gelişimi temel hücresel fonksiyonların anlaşılmasında, hastalık mekanizmalarının keşfi kadar önemli rol oynamaktadır” diyor.
Semih İşbaş
Biyolog
Kaynak:
https://www.sciencedaily.com/releases/2016/02/160215123751.htm
Orijinal metin: http://www.nature.com/ncomms/2016/160208/ncomms10624/full/ncomms10624.html
