Farklılaşmış Hücrenin Yeniden Programlanması

Bilge Gökçen

Yeni Üye
Üye
Farklılaşmış Hücrenin Yeniden Programlanması
Mitozu da içeren hücre döngüsü, bütün ökaryotik organizmalarda temel olarak aynıdır. Bir çok farklı organizmada hücrenin kendini eşlemesine yol açan olayların benzerliği, hücre döngüsünün evrim boyunca korunmuş bir genetik program tarafından yönetildiğini ve bu nedenle genetik olarak düzenlendiğini ortaya koyar.


Bu genetik programın aydınlatılması, bu nedenle canlı organizmaların doğasını anlamamız için bize temel bilgileri sağlar. Bunun da ötesinde, bu düzenlemenin ortadan kalkması, kanserleşmeyi karakterize eden kontrolsüz hücre bölünmesine yol açtığından, genlerin hücre döngüsünü nasıl düzenlediği çok büyük merak konusu olmuştur. Son on yıldır hücre döngüsü ve kontrolü üzerine yapılan çalışmaların sonucunda bir çok bilgi birikimine sahip olduk. Temel biyolojik olaylara diğer genetik çalışmaların dahil edilmesinde olduğu gibi araştırmalar hücre döngüsünü durduran mutasyonların keşfi üzerine ve bunun ardı sırada bu mutasyonların etkilerin çalışılmasına odaklanmıştır.
Birçok mutasyonun etkisini hücre döngüsünün çeşitli aşamalarında gösterdiğini artık biliyoruz. İlk önce mayalarda keşfedilmiş olmasına rağmen, günümüzde insanlar dahil bütün organizmalarda bulunan bu mutasyonlar cdc mutasyonları (cell division cycle mutations) olarak gösterilir. Bu mutasyonlarla ilgili çalışmalar hücre döngüsü sırasında en az üç önemli kontrol noktası olduğunu saptamıştır. Bu noktalar hücrenin bir sonraki döngüye girmesinden önce kontrol edilip izlendiği noktalardır.

Hücre döngüsünün süreci mitoz (M faz) sırasında iki nükleusa kromozom dağılımı için gerekli olan DNA replikasyon (S faz) işleviyle devam etmektedir. Bu işlevin arasına boşluk olarak anılan, G1 ve G2 adı verilen iki basamak katılmıştır. G1, S ve G2 hep birlikte hücre döngüsünün interfaz bölümünü oluşturmaktadır. G1 basamağı mitozdan hemen sonra başlar; ribozomlar, enzimler, membran türevi organeller gibi pek çok sitoplazmik elementin sentezi bu zaman süreci içerisinde yapılır. S fazında, DNA replikasyonu her kromozomun kopyasını yaparak kromozom sayısının ikiye katlanmasını sağlar. G2 fazı, büyümenin ve sentezin ikinci dönemi olarak mitozun başlamasına öncülük eder.

Hücre döngüsü süresi (iki mitotik bölünme arasındaki süre) organizmalar arasında çeşitlilik gösterir. Organizmaların yaşam döngülerinin farklı basamakları arasında ya da aynı organizmanın farklı hücre tipleri arasında da hücre döngüsü süresi farklılık gösterir. Örneğin, hayvan hücre döngüsünün tahmini süresi birkaç dakikadan birkaç aya kadar olabilir. Bu değişkenlik G1’de harcanan süreden ileri gelmektedir. Diğer yandan S ve G2’nin tamamlanması için gerekli olan süre bir çok hücre çeşidinde göreceli olarak sabittir. Bu sürelerin tamamlanmasıyla mitoz hızlı bir şekilde, bir saatten az bir sürede tamamlanır. Zamanın büyük bir bölümü hücre döngüsü sırasında, interfazda harcanır.
İnsanın deri hücrelerinde olduğu gibi bazı hücrelerin döngü süresi devamlıdır. Sinir hücreleri gibi diğer bazı hücreler ise G1 fazından çıkarak hiçbir zaman bölünmenin olmadığı duruma geçerler. Bu faz G0 olarak bilinir. Beyaz kan hücreleri gibi diğer hücreler G0 fazından çıkıp tekrar hücre döngüsüne girerek kendilerini yenileyebilirler.
Tüm veriler ele alındığında, gözlemler, hücre döngüsünün sıkı bir şekilde düzenlendiğini ve belirli bir hücrenin yaşam öyküsüne ve farklılaşma basamağına bağlı olduğunu göstermektedir.

Hücre döngüsü kontrol mekanizmalarıyla yapılan çalışmalar sonucunda hücre döngüsünü denetleyen genlerin karakterize edilmesinde ve aydınlatılmasında önemli bilgiler elde edilmiştir. Gerçi, tüm moleküler olayların detayı ve hatta basamaklarının gerçek sayısı ve sırası tam olarak bilinmemektedir ancak, ökaryotik hücrelerde hücre döngüsünün düzenlenmesi olaylarında, genel biyokimyasal tepkimeler dizini rol oynamaktadır. Bu bilgiler normal ve kanserleşmeye yüz tutmuş ya da mutasyona uğramış hücrelerdeki olayları anlamaya ve ortaya bazı fikirler sürmeye yaramaktadır.
Ortaya çıkan görünüm, hücre döngüsünün kontrolünün G1/S geçiş ve G2/M geçiş noktalarının yakınında yapıldığını belirtmektedir. Her iki noktada döngünün ilerlemesine veya durmasına karar verilmektedir. Bu kararların verilmesinin kontrolü iki sınıf protein tarafından yapılmaktadır.

Birincisi, protein kinazlar olarak bilinen enzimlerdir ve bu enzimler hedef proteinleri seçip fosforile ederler. Hücrelerde çok sayıda farklı protein kinazlar olmasına karşın, bunlardan sadece bir kaçının hücre döngüsünün kontrolünde görev yaptığı bilinmektedir. İkinci grup proteinler ise siklinlerdir. Siklinler hücre döngüsünün işlerliğini kontrol ederler. Siklinler ilk kez gelişmekte olan omurgasız embriyolarında tanımlanmıştır. Hücre döngüsünün farklı evrelerinde aynı zamanda sentezlenip aynı zamanda yıkılabilen bir model oluşturmaktadırlar. Kinazların ve siklinlerin bir biriyle etkileşimi sonucu hücrenin hücre döngüsüne girişini düzenleyen bir kontrol molekülü üretilmektedir. Ökaryotik hücrelerin büyük çoğunluğunda M’nin başlangıcı CDK1 (siklin bağımlı kinaz) tarafından kontrol edilmektedir. CDK1 olgun amfibi yumurtalarında biyokimyasal olarak karakterize edilmiş, genetiksel olarak da mayalarda cdc2 geninin ürünü şeklinde tanımlanmıştır. Bu proteinin incelenen tüm ökaryotlarda yüksek derecede korunmuş bir diziye sahip olduğu bilinmektedir ve M evresine giriş için çok önemli bir işleve sahiptir.

Kromatinin kromozom oluşturmak için yoğunlaşması, çekirdek zarının parçalanması ve hücre iskeletinin yeniden organizasyonu gibi pek çok olay G2 evresinden mitoza (M) girişi simgeler. Bu geçişin önde gelen olayları aktif CDK1/siklin B kompleksinin oluşumuyla kontrol edilir ve düzenlenir. CDK1 bileşeni siklin B ile birleşince fosforilizasyonu katalizler, bunun sonucunda hücre membranı yıkılır ve hücre iskeleti yeniden düzenlenir. Bu kompleks aynı zamanda histon H1’i fosforile eder ve kromatin yoğunlaşmasında rol oynayabilir. Kompleks yapı içerisinde siklin B’nin görevi çok açık değildir fakat, hedef molekül özgüllüğü veya hücre içi yerleşiminin denetimini sağladığı düşünülmektedir. Gerçi pek çok araştırma, siklin A’nın G2 evresinden mitoza geçişte önemli olduğu fikrini doğurmuşsa da, siklin A’nın işlevleri henüz açıkça anlaşılamamıştır.
Siklin B ve CDK1’in görevi mitoza geçişten sorumlu olmalıdır. D ve E gibi bazı siklinler de hücreleri G1 fazından S fazına doğru harekete geçirebilirler. Çalışmalar CDK1 kinaz enziminin G1 fazında fosforilasyon için aktif olduğunu göstermektedir fakat, siklin B ile bağlanacağı yerde, CDK1 G1 siklinleriyle bağlanıp G1 basamağının özgül protein substratlarının fosforilasyonunu yönetmektedir.

Hücre döngüsünde diğer bir yönetim merkezi M kontrol noktasıdır. M kontrol noktasıyla bağlantılı olan proteinler iğ ipliklerinin oluşumu ve bunların kromozom sentromerlerinin kinetokoruyla yaptığı bağlanmayı engelleyerek hücrelerin anafaza girişini inhibe eder. Pek çok sayı kinaz enzimi ve diğer proteinler iğ ipliklerinin kurulduğu bu kontrol noktasında işe karışır.

Yaklaşık 12 farklı siklin tanımlanmıştır. Araştırmalar sonucu daha pek çok yeni siklin ve siklin bağımlı kinazlar tanımlanmaktadır ve bu durum hücre döngüsünün pek çok kontrol noktası olduğunu ya da bu siklin ve siklin bağımlı kinazların birden çok işleve sahip olduğunu göstermektedir. Hücre döngüsü kontrolünün herhangi bir basamakta bozulmasını sağlayan mutasyonlar kansere neden olan genlerin çalışmasında önemlidir.2. Yeniden Programlama ve Willmut’un Yaptığı
1997 yılı Mart ayının başlarında, koyun klonlama haberinin yarattığı ilgi ortamını değerlendirmek isteyen bazı haberciler, aynı yöntemle Oregon Primat Araştırmaları Merkezi’nde maymunların klonlandığını öne sürdüler. Oysa, Oregon’da gerçekleştirilen, embriyo hücrelerinin oldukça sıradan bir yöntemle çoğaltılmasıyla yapılmış bir deneydi. Klonlama, yetişkin bir canlıdan alınan herhangi bir somatik (bedene ait) hücrenin kullanılmasıyla canlının genetik ikizinin yaratılmasını açıklamaktadır. Kavramsal temelleri çoktandır hazır olan bu işlemin uygulamada gerçekleştirilemeyeceği düşünülüyordu.

Edinburg’daki Roslin Enstitüsünden Dr. Wilmut ve ekibi bunu başarmış gibi görünüyor. "Ben bu filmi daha önce seyretmiştim!" diyenleri rahatlatmak için hemen belirtelim ki, aynı ekip 1995 yılında embriyo hücrelerini kullanarak yine ikiz koyunlar üretmiş ve bunu duyuran makaleyi yine Nature dergisinde yayımlatmıştı. Bu deney de basına yansımış, ancak, son gelişmeler kadar yankı uyandırmamıştı. Ne de olsa bu yöntem, döllenmiş yumurtanın kazayla bölünüp tek yumurta ikizlerine yol açtığı bildik süreçlerden farksızdı. Sıklıkla unutulduğu için tekrarlamakta yarar var ki, Wilmut’un son başarısının önemi, işe somatik bir hücrenin çekirdeğiyle başlamasında yatıyordu. Bu başarının ortaklarını anarken PPL Tıbbi Araştırmalar şirketini de atlamamak gerek. PPL, projenin hem amaçlarını belirleyerek hem de maddi olanakları yaratarak kuzu Dolly’nin varlığının temel sebebi olmuş.

Dr. Wilmut’un gerçekleştirdiği başarı şöyle özetlenebilir: Yetişkin bir koyundan alınan somatik bir hücrenin çekirdeğini dahice bir yöntemle, başka bir koyuna ait, çekirdeği alınmış bir yumurtaya yerleştirmek ve bilinen "tüp bebek" yöntemiyle yeni bir koyuna yaşam vermek. Adını, ünlü şarkıcı Dolly Parton’dan alan kuzu Dolly, isim annesinin değilse de, DNA annesinin genetik ikizi. Dolly, sevimli görünüşüyle kamuoyunun sempatisini kazanmış ve tüm bu süreç ilginç bir bilimsel oyun olarak sunulmuşsa da gerçekte deney oldukça iyi belirlenmiş bilimsel ve maddi hedefleri olan, soğukkanlı bir süreçti.

PPL ve Roslin Enstitüsü’nün çalışmaları, geçmişi çok eskilere dayanan ve önemli gelişmelerin kaydedildiği bir alan olan transgenik (gen aktarılmasıyla ilgili) araştırmaların bir üst aşamaya, nükleer transfer (çekirdek aktarılması) evresine doğru ilerletilmesinden başka bir şey değildi. Yıllardır başarıyla sürdürülen transgenik çalışmalarda tek boynuzlu keçi, üç bacaklı tavuk gibi görünüşte çarpıcı, yararı kısıtlı çalışmaların yanı sıra, insan proteinlerinin hayvanlara ürettirilmesi gibi, modern tıp için çığır açıcı sayılabilecek başarılar kaydedildi. Son gelişmelere imzasını atan ekip, daha önce insan bünyesince üretilen molekülleri gen transferi yöntemiyle bir koyuna ürettirmeyi başarmıştı.

Söz konusu deneyde gerek duyulan moleküllerin koyunun tüm hücrelerinde değil, sadece süt bezlerinde sentezlenmesinin sağlanması, koyunun "ilaç fabrikası" olarak değerlendirilmesini beraberinde getiriyordu. Zaten Dolly başarısının en önemli potansiyel yararı da bununla ilgilidir. Gen transferi yöntemiyle, istediğiniz maddeyi sentezleyebilen bir canlıya sahip olduğunuzda, madde verimini artırmak üzere aynı süreci zaman ve para harcayarak yinelemeye çabalamak yerine elinizdeki canlının genetik ikizlerini yaratabilirseniz, ticari değer arz edebilecek miktarda ilaç hammaddesi üretimine geçebilirsiniz. Elinizde birkaç on tane genetik özdeş canlı biriktikten sonra, bu küçük sürüyü doğal yollardan üremeye bırakacak olursanız, hem "yatırımınız" kendi kendine büyüyecek, hem de genetik çeşitlilik yeniden oluşmaya başlayacağından, tek bir virüs tipinin tüm "fabrikayı" yok etmesinin önünü alacaksınız demektir.

İskoç ekibin gerçekleştirdiği klonlama deneyinin, dünyanın pek çok bölgesine dağılmış sayısız standart biyoteknoloji laboratuvarında "kolayca" gerçekleştirilebileceği söyleniyorsa da yine uygulanan yöntem, kolay ve hemen tekrarlanabilir türden değildir. İskoç ekibin başarısı ve önceki sayısız benzeri çalışmanın başarısızlığı, Wilmut’un, verici koyundan alınan hücre çekirdeğiyle, kullanılan embriyonik hücrenin "frekanslarını" çok hassas biçimde çakıştırabilmesine dayanıyor. Bu yöntemle araştırmacılar, yetişkin çekirdeğin genetik saatini sıfırlamayı, tüm gelişim sürecini başa almayı becerebilmişlerdir. Yöntemin ayrıntılarına girmeden önce bazı temel kavramlara açıklık getirmekte yarar vardır.

Çoğu memeli canlı gibi insan bedeni de trilyonlarca hücreden oluşuyor. Bu hücrelerin milyonlarcası her saniye bölünmeyi sürdürerek beden gelişimini devam ettiriyor ve yıpranmış hücreleri yeniliyor. Bu hücrelerin önemli kısmı bedenimizin belli başlı bölümlerini oluşturan "somatik hücreler"dir. Tek istisna, üreme hücreleridir. Eşeyli üreme, gametlerin (sperm ve yumurta) ortaya çıktığı "mayoz bölünme"yle başlar, spermin yumurtayı döllemesiyle de yeni bir canlının ilk hücresi "zigot" oluşuyor. Bu noktadan sonra gelişmeye dönük hücre bölünmeleri, "mayoz" değil, "mitoz" yoluyla ilerler.

Koyun ve insan hücrelerinin de dahil olduğu ökaryotik yani, çekirdeği olan hücreler, farklı gelişim evreleri içeren bir yaşam döngüsü geçiriyorlar. Bu döngüyü, hücrenin durağan olduğu "interfaz" ve belirgin biçimde bölünmenin gerçekleştiği mitoz evrelerine ayırmak mümkündür. Hücre, yaşam döngüsünün yüzde doksan kadarını interfaz evresinde geçiriyor. Aslında, bu duraklama evresi göründüğü kadar sakin değil; hücre, tüm bileşenlerini DNA’yı sona bırakacak biçimde çoğaltarak, bölünmeye hazırlanıyor. Alt evreleri son derece iç içe girmiş olan interfaz evresini işlevsellik açısından G1, S ve G2 alt evrelerine ayırmak yerleşmiş bir gelenektir. Yani, hücrenin yaşam döngüsü bu üç evre ve M (mitoz)’den oluşuyor. G1 evresi, DNA dışındaki bileşenlerin çoğaldığı bir dinlenme dönemi. S, DNA’nın bölünmesiyle sonuçlanan bir geçiş evresi. G2 ise, iç gelişmenin tamamlanıp, hücrenin mitoz yoluyla bölünmeye hazırlandığı süreci içeriyor.
Hücrelerin hangi evreyi ne kadar sürede tamamlayacakları bir biçimde programlanmış durumda. Belli bir organizmanın tüm hücreleri bu evreleri aynı sürede tamamlıyorlar.

Yine de, ani çevresel koşul değişiklikleri hücreleri G1 evresinde kıstırabiliyor; sözgelimi, besleyici maddelerin miktarı birdenbire minimum düzeye düştüğünde hücrenin bölünmesi durdurulmaktadır. G1 evresinin belli bir aşamasında, öncesinde bu duraklamaya izin verilen sabit bir kritik noktası vardır. Bu kritik nokta aşılırsa, çevresel koşullar ne yönde olursa olsun, DNA replikasyonunun önü alınamıyor. İleride göreceğimiz gibi, bu noktanın denetim altında tutulabilmesi, Wilmut ve ekibinin başarılı bir klonlama gerçekleştirebilmelerinin altın anahtarı olmuştur.

Bu noktada bir parantez açarak G1, S, G2 ve M evrelerinin denetim altına alınmasının, hücrenin yaşam döngüsünü olduğu kadar, hücrenin özelleşmesini, sözgelimi beyinden veya kas hücrelerinden hangisine dönüşeceğini de kontrol altına alabilmeyi, bir başka deyişle, hücrenin genetik saatini sıfırlamayı sağladığını ekleyelim. Wilmut ve ekibi Dolly’i klonlayıncaya kadar bu sürecin tersinmez olduğu, sözgelimi, bir defa kas hücresi olmaya karar vermiş bir hücrenin yeniden programlanamayacağı zannediliyordu. Peki Wilmut bunu nasıl başardı?

Soruyu tersinden cevaplayacak olursak, diğerlerinin bunu başaramamalarının nedeninin, kullandıkları somatik hücrelerin çekirdeklerini S veya G2 evrelerindeki konakçı hücrelere yerleştirmeleri olduğunu söyleyebiliriz. Eski kuramsal bilgilere göre bu yöntemin işe yaraması gerekiyordu, çünkü çekirdeğin mitoza yaklaşmış olması avantaj olarak görülüyordu. Ancak bu denemelerde, işler bir türlü yolunda gitmedi. Kaynaştırmadan sonra, hücre fazladan bir parça daha mitoz geçiriyor ve yararsız, kopuk kromozom parçaları meydana geliyordu. Bu "korsan" genler, gelişimin normal seyrini sürdürmesi için ciddi bir engel oluşturuyordu. Wilmut, bu olumsuz deneyleri değerlendirerek hücreyi G1 evresinin kritik noktadan önceki duraksama döneminde, "G0 evresinde" kıstırmaya karar verdi.

Verici koyundan alınan meme dokusu hücrelerini kültür ortamında gelişmeye bırakan Wilmut, hücrelerin geçirdiği evreleri sıkı gözetim altında tutarak bir hücreyi G0 evresinde kıstırıp bu haliyle durağanlığa bırakmayı başarmıştı. Bunun için, hücrenin besin ortamını neredeyse öldürme sınırına kadar geriletmiş, tüm süreci dondurarak bir anlamda genetik saati de sıfırlayabilmişti. Üstelik bu evre, kaynaştırılacağı yumurta hücresinin mayoz gelişim sırasında girdiği, bu işlem için en uygun olan metafaz-II evresiyle de mükemmel bir uyum içindeydi. İşlemin diğer kısımları yemek tariflerinde olduğu kadar sıradan ve kolay uygulanabilir nitelikte. G0 evresindeki çekirdek metafaz-II evresindeki yumurtayla kaynaştırılıp, normal besin koşulları ve hafif bir elektrik şoku etkisiyle olağan çoğalma sürecine yeniden sokulduğunda, her şey tüp bebek olarak bilinen, in vitro fertilizasyon sürecindeki işleyişe uygun hale geliyor. Zigot, anne koyunun rahmine yerleştiriliyor ve gerekli hormonlarla normal hamilelik süreci başlatılıyor.

Wilmut ve ekibinin gerçekleştirdikleri hakkında bilinenler, yukarıda kaba hatlarıyla anlatılanlarla sınırlı. Sürecin duyurulmayan kritik bir evresi varsa, bu ticari bir sır olarak kalacağa benziyor. Ancak, herkesin olup bitenler hakkında aynı bilgilere sahip olması, deneyin başarısı konusunda kimsenin şüphe duymamasını gerektirmiyor. 277 denemeden sadece birinin başarılı olması başta olmak üzere, çoğu uzmanın takıldığı pek çok soru işareti var. Herşeyin ötesinde, herhangi bir olgunun bilimsel gelişme olarak kabul edilmesi için, sürecin yinelenebilirliğinin gösterilmesi gerekiyor.

Bir embriyolog, Jonathan Slack, çok daha temel şüpheleri öne sürüyor: "Araştırmacılar, yumurta hücresindeki DNA’ları tümüyle temizleyememiş olabilirler. Dolayısıyla Dolly, sıradan bir koyun olabilir." Slack, alınan meme hücresinin henüz tamamen özelleşmemiş olabileceğini, böyle vakalara meme hücrelerinde, bedenin diğer kısımlarına göre daha sık rastlanılabildiğini de ekliyor. Zaten Wilmut da, bedenin diğer kısımlarından alınan hücrelerin aynı sonucu verebileceğinden bizzat şüpheli. Örneğin, büyük olasılıkla kas veya beyin hücrelerinin asla bu amaçla kullanılamayacaklarını belirtiyor. Üstüne üstlük, koyun bu deneylerde kullanılabilecek canlılar arasında biraz "ayrıcalıklı" bir örnek. Koyun embriyolarında hücresel özelleşme süreci zigot ancak 8-16 hücreye bölündükten sonra başlıyor. Geleneksel laboratuvar canlısı farelerde ise aynı süreç ilk bölünmeden itibaren gözlenebiliyor. İnsanlarda ise ikinci bölünmeden itibaren... Bu durum, aynı deneyin fare ve insanlarda asla başarılı olamaması olasılığını beraberinde getiriyor.
Mesut Darendeli
 
Geri
Üst