Bu yılki Nobel Ödülü, gen aktivitesinin nasıl düzenlendiğini yöneten temel bir ilkeyi keşfettikleri için iki bilim insanını onurlandırıyor.
Çeviri: Okan Nurettin Okur
Karolinska Enstitüsü Nobel Kurulu bugün 2024 Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü’nün mikroRNA’nın keşfi ve transkripsiyon sonrası gen düzenlenmesindeki rolü nedeniyle Victor Ambros ve Gary Ruvkun’a ortaklaşa verilmesine karar verdi.
Kromozomlarımızda depolanan bilgi, vücudumuzdaki tüm hücreler için bir kullanım kılavuzuna benzetilebilir. Her hücre aynı kromozomları içerir, dolayısıyla her hücre tam olarak aynı gen setini ve tam olarak aynı talimat setini içerir. Yine de, kas ve sinir hücreleri gibi farklı hücre tipleri çok farklı özelliklere sahiptir. Bu farklılıklar nasıl ortaya çıkmaktadır? Cevap, her hücrenin yalnızca ilgili talimatları seçmesine olanak tanıyan gen düzenlemesinde yatmaktadır. Bu, her hücre tipinde yalnızca doğru gen kümesinin aktif olmasını sağlar.
Victor Ambros ve Gary Ruvkun farklı hücre tiplerinin nasıl geliştiğiyle ilgileniyorlardı. Gen düzenlemesinde çok önemli bir rol oynayan yeni bir küçük RNA molekülü sınıfı olan mikroRNA’yı keşfettiler. Çığır açan keşifleri, insanlar da dahil olmak üzere çok hücreli organizmalar için gerekli olduğu ortaya çıkan tamamen yeni bir gen düzenleme ilkesini ortaya çıkardı. Artık insan genomunun binden fazla mikroRNA’yı kodladığı biliniyor. Bu şaşırtıcı keşif, gen düzenlemesinin tamamen yeni bir boyutunu ortaya çıkardı. MikroRNA’ların organizmaların nasıl geliştiği ve işlev gördüğü konusunda temel bir öneme sahip olduğu kanıtlanıyor.
Bu yılki Nobel Ödülü, hücrelerde gen aktivitesini kontrol etmek için kullanılan hayati bir düzenleyici mekanizmanın keşfine odaklanıyor. Genetik bilgi, transkripsiyon adı verilen bir süreçle DNA’dan mesajcı RNA’ya (mRNA) ve oradan da protein üretimi için hücresel mekanizmaya akar. Burada mRNA’lar tercüme edilir, böylece proteinler DNA’da depolanan genetik talimatlara göre yapılır. 20. yüzyılın ortalarından bu yana, en temel bilimsel keşiflerden bazıları bu süreçlerin nasıl işlediğini açıklamıştır.
Organlarımız ve dokularımız, hepsi DNA’larında depolanmış aynı genetik bilgiye sahip birçok farklı hücre tipinden oluşur. Bununla birlikte, bu farklı hücreler benzersiz protein setlerini ifade eder. Bu nasıl mümkün olabilir? Cevap, gen aktivitesinin hassas bir şekilde düzenlenmesinde yatar, böylece her bir hücre tipinde yalnızca doğru gen seti aktif olur. Bu, örneğin kas hücrelerinin, bağırsak hücrelerinin ve farklı sinir hücresi türlerinin özel işlevlerini yerine getirmelerini sağlar. Buna ek olarak, hücresel işlevleri vücudumuzdaki ve çevremizdeki değişen koşullara uyarlamak için gen aktivitesi sürekli olarak ayarlanmalıdır. Gen düzenlemesi ters giderse, kanser, diyabet veya otoimmünite gibi ciddi hastalıklara yol açabilir. Bu nedenle, gen aktivitesinin düzenlenmesini anlamak onlarca yıldır önemli bir hedef olmuştur.
Genetik bilginin DNA’dan mRNA’ya ve oradan da proteinlere akışı. Aynı genetik bilgi vücudumuzdaki tüm hücrelerin DNA’sında depolanır. Bu, gen aktivitesinin hassas bir şekilde düzenlenmesini gerektirir, böylece her bir spesifik hücre tipinde yalnızca doğru gen seti aktif olur.
1960’larda, transkripsiyon faktörleri olarak bilinen özel proteinlerin DNA’daki belirli bölgelere bağlanabildiği ve hangi mRNA’ların üretileceğini belirleyerek genetik bilgi akışını kontrol edebildiği gösterilmiştir. O zamandan beri binlerce transkripsiyon faktörü tanımlandı ve uzun bir süre gen düzenlemesinin ana ilkelerinin çözüldüğüne inanıldı. Ancak 1993 yılında, bu yılın Nobel ödüllü bilim insanları, gen düzenlemesinin yeni bir seviyesini tanımlayan beklenmedik bulgular yayınladılar ve bu bulguların son derece önemli olduğu ve evrim boyunca korunduğu ortaya çıktı.
Küçük bir solucan üzerinde yapılan araştırma büyük bir buluşa yol açtı
1980’lerin sonunda Victor Ambros ve Gary Ruvkun, Sydney Brenner ve John Sulston ile birlikte 2002 yılında Nobel Ödülü’ne layık görülen Robert Horvitz’in laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olarak çalışıyorlardı. Horvitz’in laboratuvarında, 1 mm uzunluğunda nispeten mütevazı bir yuvarlak solucan olan C. elegans üzerinde çalıştılar. Küçük boyutuna rağmen, C. elegans daha büyük, daha karmaşık hayvanlarda da bulunan sinir ve kas hücreleri gibi birçok özelleşmiş hücre tipine sahiptir ve bu da onu çok hücreli organizmalarda dokuların nasıl geliştiğini ve olgunlaştığını araştırmak için yararlı bir model haline getirmektedir. Ambros ve Ruvkun, farklı genetik programların aktivasyon zamanlamasını kontrol ederek çeşitli hücre tiplerinin doğru zamanda gelişmesini sağlayan genlerle ilgileniyordu. Gelişim sırasında genetik programların aktivasyon zamanlamasında kusurlar gösteren lin-4 ve lin-14 adlı iki mutant solucan türü üzerinde çalıştılar. Ödül sahipleri mutasyona uğramış genleri tanımlamak ve işlevlerini anlamak istediler. Ambros daha önce lin-4 geninin lin-14 geninin negatif bir düzenleyicisi olduğunu göstermişti. Ancak lin-14 aktivitesinin nasıl engellendiği bilinmiyordu. Ambros ve Ruvkun bu mutantlar ve aralarındaki potansiyel ilişki karşısında meraklandılar ve bu gizemleri çözmek için yola koyuldular.
Doktora sonrası araştırmasının ardından Victor Ambros, Harvard Üniversitesi’nde yeni kurduğu laboratuvarında lin-4 mutantını analiz etti. Metodik haritalama, genin klonlanmasını sağladı ve beklenmedik bir bulguya yol açtı. Lin-4 geni, protein üretimi için bir kod içermeyen alışılmadık derecede kısa bir RNA molekülü üretiyordu. Bu şaşırtıcı sonuçlar, lin-4’ten gelen bu küçük RNA’nın lin-14’ü inhibe etmekten sorumlu olduğunu düşündürdü. Bu nasıl işe yarayabilir?
Aynı zamanda Gary Ruvkun, Massachusetts Genel Hastanesi ve Harvard Tıp Fakültesi’nde yeni kurduğu laboratuvarında lin-14 geninin düzenlenmesini araştırdı. O zamanlar gen düzenlemesinin nasıl işlediğinin bilinmesinin aksine, Ruvkun lin-4 tarafından inhibe edilenin lin-14’ten mRNA üretimi olmadığını gösterdi. Düzenlemenin, protein üretiminin durdurulması yoluyla gen ifadesi sürecinde daha sonraki bir aşamada gerçekleştiği görüldü. Deneyler ayrıca lin-14 mRNA’sında lin-4 tarafından inhibisyonu için gerekli olan bir segmenti ortaya çıkardı. İki ödül sahibi bulgularını karşılaştırdı ve bu da çığır açan bir keşifle sonuçlandı. Kısa lin-4 sekansı, lin-14 mRNA’sının kritik segmentindeki tamamlayıcı sekanslarla eşleşti.
Ambros ve Ruvkun, lin-4 mikroRNA’sının lin-14’ün mRNA’sındaki tamamlayıcı dizilere bağlanarak lin-14 proteininin üretimini engellediğini gösteren başka deneyler de gerçekleştirdi. Daha önce bilinmeyen bir RNA türü olan mikroRNA’nın aracılık ettiği yeni bir gen düzenleme ilkesi keşfedilmişti! Sonuçlar 1993 yılında Cell dergisinde iki makale halinde yayımlandı.
Yayınlanan sonuçlar başlangıçta bilim camiasında neredeyse sağır edici bir sessizlikle karşılandı. Sonuçlar ilginç olsa da, gen düzenlemesinin olağandışı mekanizması C. elegans’a özgü, muhtemelen insanlarla ve diğer daha karmaşık hayvanlarla ilgisi olmayan bir özellik olarak görülüyordu. Bu algı 2000 yılında Ruvkun’un araştırma grubu let-7 geni tarafından kodlanan başka bir mikroRNA keşfini yayınladığında değişti. Lin-4’ün aksine, let-7 geni yüksek oranda korunmuş ve hayvanlar aleminde mevcuttu. Makale büyük ilgi uyandırdı ve sonraki yıllarda yüzlerce farklı mikroRNA tanımlandı. Bugün, insanlarda farklı mikroRNA’lar için binden fazla gen olduğunu ve mikroRNA ile gen düzenlemesinin çok hücreli organizmalar arasında evrensel olduğunu biliyoruz.
Ruvkun, bir mikroRNA kodlayan ikinci bir gen olan let-7’yi klonladı. Bu gen evrimde korunmuştur ve mikroRNA düzenlemesinin çok hücreli organizmalar arasında evrensel olduğu artık bilinmektedir.
Yeni mikroRNA’ların haritalanmasına ek olarak, çeşitli araştırma grupları tarafından yapılan deneyler, mikroRNA’ların nasıl üretildiği ve düzenlenmiş mRNA’lardaki tamamlayıcı hedef dizilere nasıl iletildiği mekanizmalarını aydınlattı. MikroRNA’nın bağlanması, protein sentezinin inhibisyonuna veya mRNA degradasyonuna yol açar. İlginç bir şekilde, tek bir mikroRNA birçok farklı genin ifadesini düzenleyebilir ve tersine, tek bir gen birden fazla mikroRNA tarafından düzenlenebilir, böylece tüm gen ağlarını koordine eder ve ince ayar yapar.
İşlevsel mikroRNA’lar üretmeye yönelik hücresel mekanizma, örneğin bitkileri virüs enfeksiyonlarına karşı korumanın bir yolu olarak, hem bitkilerde hem de hayvanlarda diğer küçük RNA moleküllerini üretmek için de kullanılmaktadır. 2006’da Nobel Ödülü’ne layık görülen Andrew Z. Fire ve Craig C. Mello, hücrelere çift sarmallı RNA ekleyerek belirli mRNA moleküllerinin etkisiz hale getirildiği RNA interferansını tanımladı.
Derin fizyolojik öneme sahip küçük RNA’lar
İlk kez Ambros ve Ruvkun tarafından ortaya çıkarılan mikroRNA ile gen düzenlenmesi, yüz milyonlarca yıldır iş başındadır. Bu mekanizma giderek daha karmaşık hale gelen organizmaların evrimleşmesini sağlamıştır. Genetik araştırmalardan biliyoruz ki hücreler ve dokular mikroRNA’lar olmadan normal şekilde gelişmez. MikroRNA’nın anormal düzenlenmesi kansere katkıda bulunabilir ve mikroRNA’ları kodlayan genlerdeki mutasyonlar insanlarda bulunarak doğuştan işitme kaybı, göz ve iskelet bozuklukları gibi durumlara neden olmuştur. MikroRNA üretimi için gerekli proteinlerden birindeki mutasyonlar, çeşitli organ ve dokularda kanserle bağlantılı nadir fakat ciddi bir sendrom olan DICER1 sendromuna yol açmaktadır.
Ambros ve Ruvkun’un küçük solucan C. elegans’taki ufuk açıcı keşfi beklenmedikti ve tüm karmaşık yaşam formları için gerekli olan gen düzenlemesinin yeni bir boyutunu ortaya çıkardı.
MikroRNA’ların ufuk açıcı keşfi beklenmedikti ve gen düzenlemesinin yeni bir boyutunu ortaya çıkardı.
İleri okumalar
Lee RC, Feinbaum RL, Ambros V. The C. elegans heterochronic gene lin-4 encodes small RNAs with antisense complementarity to lin-14. Cell. 1993;75(5):843-854. doi:10.1016/0092-8674(93)90529-y
Wightman B, Ha I, Ruvkun G. Posttranscriptional regulation of the heterochronic gene lin-14 by lin-4 mediates temporal pattern formation in C. elegans. Cell. 1993;75(5):855-862. doi:10.1016/0092-8674(93)90530-4
Pasquinelli AE, Reinhart BJ, Slack F, Martindale MQ, Kurodak MI, Maller B, Hayward DC, Ball EE, Degnan B, Müller P, Spring J, Srinvasan A, Fishman M, Finnerty J, Corbo J, Levine M, Leahy P, Davidson E, Ruvkun G. Conservation of the sequence and temporal expression of let-7 heterochronic regulatory RNA. Nature. 2000;408(6808):86-89. doi:10.1038/35040556
Nobel Ödülü sahiplerini tanıyalım
Victor Ambros 1953 yılında Hanover, New Hampshire, ABD’de doğdu. Doktorasını 1979 yılında Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge, MA’den aldı ve 1979-1985 yılları arasında doktora sonrası araştırmalar yaptı. 1985’te Harvard Üniversitesi, Cambridge, MA’de Baş Araştırmacı oldu. 1992-2007 yılları arasında Dartmouth Tıp Fakültesi’nde Profesör olarak görev yapmıştır ve şu anda Worcester, MA’daki Massachusetts Üniversitesi Tıp Fakültesi’nde Silverman Doğa Bilimleri Profesörü olarak görev yapmaktadır.
Gary Ruvkun 1952 yılında Berkeley, Kaliforniya, ABD’de doğdu. Doktorasını 1982 yılında Harvard Üniversitesi’nden almıştır. 1982-1985 yılları arasında Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge, MA’de doktora sonrası araştırmacı olarak bulundu. 1985’te Massachusetts General Hospital ve Harvard Tıp Fakültesi’nde Baş Araştırmacı oldu ve şu anda Genetik Profesörü olarak görev yapmaktadır.
Kaynak:
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2024/press-release (son erişim tarihi: 07.10.2024).
