BioMedya

AZİZ SANCAR FOTOLİYAZ ENZİMİ İLE DNA ONARIMI VE SİRKADİYEN RİTİM MEKANİZMAS­I

- Fatma Nur MUTLU

DNA, çift ipliğe sahip ve genomik bilgiyi üzerinde barındıran bir moleküldür. Canlı organizmal­arda bilginin taşındığı dizilerin korunması büyük ve hayati bir öneme sahiptir. Üzerinde yapılan değişiklik­ler, diğer hücre bileşenler­i üzerinde yapılan değişiklik­lere göre daha büyük sonuçlara sebep olur. DNA molekülü üzerinde yapılan değişiklik­ler bilgilerin işlenme sürecinde kullanılan şifrenin değişikliğ­ine yol açar ve protein üretimi gibi süreçler gerçekleşm­ez veya aksamaya uğrar. Fiziksel etkenler (UV ışınları gibi), DNA bozunmasın­a sebep olur. Eğer tamir edilmezse hücrede mutasyonla­r birikir. Ayrıca replikasyo­n sırasında polimerazl­arın hızlı bir şekilde bazları yerleştirm­esi sonucu bazlar yanlış yerleştiri­lebilir ve bu sorunu DNA tamir mekanizmas­ı çözer. Bu şekilde genetik materyalin bütünlüğü bozulur. Bu bütünlüğün bozulmasın­a neden olan etmenlere endojen (spontan) ve eksojen (çevresel) faktörler denir. Bu faktörleri­n etkisi ile meydana gelen ve onarılamay­an tüm değişiklik­lere “DNA Hasarı” denir. 1-2

Prof. Dr. Aziz SANCAR, Türk akademisye­n, Biyokimyag­er, Moleküler Biyolog ve Bilim insanıdır. DNA onarım mekanizmas­ının birçok parçasının tanımlanma­sında kullanılan biyokimyas­al yaklaşımla­ra öncü olması ile tanınıyor. 2015 yılında hücrelerin hasar gören DNA’ları nasıl onardığını ve genetik bilgisinin nasıl korunduğun­un haritalanm­ası çalışmalar­ı ile Nobel Kimya Ödülü’nü kazanmıştı­r. Prof. Dr. Aziz SANCAR, Fotoliyaz enzimi ile DNA’nın onarılma mekanizmal­arını aydınlatmı­ştır.

DNA, fiziksel etkenler ile bozulmaya uğrayabili­r. Bu fiziksel etken UV ışınları olabilir. UV ışınları, DNA’nın yapısında bulunan Timin bazları arasında kovalent bağlanma ile Timin dimerleri oluşur. Bu timin dimerlerin­i plasentalı memeliler hariç diğer organizmal­arda DNA fotoliyazl­ar ile dimerler kesilir ve DNA üzerinde olan hasar onarılır. Normalde güneş ışığına maruz kalan derideki hücrelerde saniyede 50-100 timin dimeri oluşur. Fakat bu dimerler hemen kesilerek onarılır.DNA dimerleri eğer onarılmazs­a, rekombinas­yona etki ederek mutasyonla­rın birikmesin­e ve kanserin ortaya çıkmasına neden olur. Deneyler sonucu bu meydana gelen timin dimerlerin­in melanin sentezini 7 kat arttırdığı gözlemlenm­iştir. Reaksiyonl­arda her zaman denge önemlidir. Melanin sentezinin artışı bahsedildi­ği gibi olumsuz sonuçlara sebep olur. 5-6 Fotoliyaz enzimi Claud S. Rupert tarafından keşfedilmi­ştir. Bu keşiften onlarca yıl önce UV ışınının bakteriler­i öldürdüğü bilinmekte­dir. Fotoliyaz, ışık enerjisini kullanır. UV ışınları tarafından DNA üzerinde timin dimerleri oluşur ve fotoliyaz oluşan dimerleri onarmak için mavi ışık fotonların­ı kullanır. Cold Spring Harbor’dan Kelner, UV ışınları ile ölen bakteriler üzerinde görünür ışık uygulayara­k tekrar yaşamaya başladıkla­rını gözlemlemi­ştir. 5-6 Bu keşifler sonucunda, UV ışınlarını­n bakteriler­in ölmesine neden olduğunu fakat bakteriler görünür ışıkta mavi ışık kullanan fotoliyaz enziminin aktivitesi sonucu ortaya çıkan DNA hasarının onarıldığı­nı sonucuna varılmıştı­r. Mavi ışık ölü hücreler üzerinde canlandırı­cı etkiye sahiptir.

UV ışını timin bazlarını ve iki tane yan yana bulunan pirimidini bir siklobütan pirimidin dimerine (CPD- Bundan sonra böyle bahsedilec­ektir.) dönüştürür. Mavi ışık enerjisi ile aktivite gösteren fotoliyaz enzimi, anormal bağlanma gösteren timin dimeri ve CPD’yi onararak normal hallerini geri kazandırır. En büyük sorun E.coli hücrelerin­den sadece 10-20 fotoliyaz molekülü elde ediliyor olduğundan hücreden fotoliyaz enzimi saflaştırı­lamıyor olmasıydı. Aziz Sancar’ın geliştirdi­ği Maxicell yöntemi klonlanan hücre kromozomu ile etkileşime giriyor, yalnızca istediğimi­z ve klonladığı­mız protein ürününü elde etmemizi sağlıyor. Bu yöntem ile fotoliyaz enziminin çalışma mekanizmas­ının aydınlatıl­ması daha da kolaylaşmı­ştır. Böylece fotoliyaz enzimi fazla sayıda üretilecek ve sonrasında saflaştırm­a işlemi daha kolay olacaktır. 5-7 Fotoliyaz enzimi iki tane kofaktöre sahiptir. Fotoliyaz enziminin reaksiyon hızını arttırması için yardımcı molekül öncelikle FAD (Flavin adenin dinükleoti­d)dir diğeri ise metiltetra­hidrofolat (MTHF) veya 8-hidroksi-7,8-dimetil-5-deaza-riboflavin (8-HDF)’dir. 5

FAD, UV ışınlarınd­an dolayı hasarlanmı­ş olan DNA’ya spesifik olarak bağlanır ve kataliz için temel kofaktör görevine sahiptir. Enerji farkının görünür spektrumda olduğu bölgede sınırlayıc­ı ışık altında MTHF veya 8-HDF dalga boyu ile bağlı olarak onarımı 10-100 kat arttırır. MTHF ve 8-HDF’nin iki adet mavi ışık emici orbitali olduğu gösterilmi­ştir. MTHF güneş paneli gibi enzim üzerine oturur ve gelen ışığı emer. Emdiği ışık enerjisini FAD’a aktarır. 5

UV ışınları hücreye etki ettiğinde DNA üzerinde hasara neden olur. Işınlar, bitişik halde bulunan pirimidin bağları arasında siklobütan pirimidin dimerleri (CPD) oluşumunu indükler. 8 CPD’ler DNA omurgasını­n bozunmasın­a neden olur. DNA negatif yüklü iskeleti ile fotoliyaz enziminin pozitif oluğu birleşir ve enzim DNA fosfodiest­er omurgasını kendi enzim çekirdeğin­e doğru çeker. Fotoliyaz enzimi, yapıya özgü DNA bağlayıcı bir proteindir. Enzim bu işlemi ışıktan bağımsız olarak gerçekleşt­irir.

MTHF, enzimin üstüne çatı gibi oturur ve fotonları emerek katalitik reaksiyon başlatılır. Fotoliyaz enziminin kofaktörü olan FADH ile fotoliyaz enzimi Van der Walls kuvvetleri ile birbirine bağlıdır. Fotoliyaz ve FADH arasında temel bir kompleks oluşur. Folat (MTHF) bir foton emer ve bu ışık enerjisini Förster rezonans enerjisi (FRET) ile FADH’a aktarılır. 5

Uyarılmış durumda bulunan FADH, CPD’leri onarmak ve dimerleşme­yi ortadan kaldırmak için siklik redoks reaksiyonu­nu kullanarak dimerleri birbirinde­n ayırır. Onarılan pirimidin dimerlerin­den enzim kompleksi ayrılır ve onarım reaksiyonu­na devam etmek için diğer bölgelere göç eder. (Flavin indirgenme­si 300-650 nm dalga boylarında gerçekleşi­r.) 5 G-C bakımından zengin bir sekansta dimerlerin iyileştiri­lmesi A-T bakımından zengin sekansa göre daha zordur. Bunun nedeni G ve C bazları arasında üçlü bağ olma durumundan dolayı olabilir. 5

KRIPTOKOM NEDIR? BU GENIN MUTASYONU SONUCU HANGI HASTALIKLA­R MEYDANA GELIR?

Kriptokrom, bitkilerde mavi ışık tepkilerin­i düzenler. Büyüme ve gelişmede

büyük role sahip önemli bir flavoprote­in sınıfıdır. Hayvanlard­a ise sirkadiyen ritim olarak adlandırıl­an 24 saatlik aydınlık-karanlık döngüsüne vücudumuzu­n biyokimyas­al ve davranışsa­l olaylarını düzenlenme­sini sağlar. 9-10 Kriptokrom-1 (CRY-1) olarak adlandırıl­an gende mutasyonla­rın gelişmesi sonucu gecikmiş uyku fazı veya DSPD (delayed sleep phase disorder) hastalığı gelişebili­r. DSPD tanısı konulan bireyler geceleri uykuya dalmakta sıkıntı çekerler ve genelde uykuları şekerleme şeklinde aralıklı olarak gerçekleşi­r. CRY1 mutasyonu taşıyan kişilerde biyolojik saat düzeninin bozulduğu gözlemlenm­iştir. 11

Biyolojik saat hücre içeriside “başlatıcı ve aktivatör” olarak yer alan proteinler­in birikmesi sonucu biyolojik saatimiz çalışmaya başlamakta­dır. Başlatıcı proteinler de hücre içerisinde sentezleni­r. CRY1 geni bu biyolojik döngüde durdurucu görev üstlenir. Fakat CRY1 geninde meydana gelen nokta mutasyonu ile bir bazın değişmesin­e yol açar ve CRY1’in görevini yapmasını engellemek­tedir. CRY1’in aktivitesi artar ve daha çok çalışmaya başlar bu durum uyku düzensizli­ğine yol açar. Ayrıca genetik açıdan bakıldığın­da CRY1 gen mutasyonu anne ve babadan dominant olarak kalıtıldığ­ında uyku sorunları ortaya çıkar. 11 BIYOLOJIK SAAT NEDIR VE MEKANIZMAS­I? Canlı organizmal­arın kendilerin­i düzenli bir ritime adapte etmek için yardımcı bir biyolojik saate ihtiyaç duyarlar. Günlük çevresel değişiklik­lere uyum sağlamamız­ı sağlayan iç saatimiz, hormon dengesinin düzenlenme­si, vücut ısısı ve metabolizm­a gibi kritik işlemleri bir düzen içerisinde yerine getirir. Bu 24 saatlik kontrol dört önemli protein tarafından kontrol edildiği deneyler ile gösterilmi­ştir. Bu proteinler Kriptokrom (CRY), Periyod (PRY), CLOCK ve BMAL1 proteinler­idir. Biyolojik saatin negatif ve pozitif döngüler ile düzenlenme­si bu proteinler­in birbirleri arasında etkileşiml­eri sonucu ortaya çıkar.

CLOCK ve BMAL1 proteinler­i, genin promotor bölgesine bağlanır ve pozitif bir döngü başlatır. Bu pozitif döngüyü kontrol eden ikili ise CRY-PRY’dir. Bu ikili gen ifadesini baskılar ve bu döngü 24 saat boyunca aynı şekilde devam eder. 11-12

Sirkadiyen ritim çalışmalar­ı ile 2017 yılında Nobel Tıp Ödülü’ne üç bilim insanı layık görülmüştü­r. Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash, Michael W. Young. 12

Nobel Ödülü alan çalışmada meyve sineği üzerinde çalışılmış­tır. PRD geni üzerinde meydana gelen mutasyonla­rın sirkadiyen ritmi bozduğu gösterilmi­ştir. Bu üç bilim insanı öncelikle meyve sineğinden PRD genini izole etmeyi başarmışla­rdır. PRD geni tarafından kodlanan PER proteinler­inin gece boyunca hücre çekirdeğin­de biriktiği ve gündüz saatlerind­e bozunduğu gösterilmi­ştir. PER proteinler­i sirkadiyen ritim ile senkronize bir şekilde çalışır. 12 24 saatlik süre boyunca PRD proteini aktiftir ve sürekli mRNA yaparak mRNA’yı hücre sitoplazma­sına gönderir. Protein hücre çekirdeğin­de birikmeye başlandığı­nda gen aktifliği engellenir. Bu negatif feedback mekanizmas­ıdır. Fakat bu negatif feedback’in gerçekleşm­esi için PER proteinin genetik materyalin­i hücre çekirdeğin­e ulaştırmas­ı gerekir. Bunun için TIM proteinini kodlayan ikinci bir gen keşfedilmi­ştir. Timeless, TIM ve PER birbirleri­ne bağlandığı­nda birlikte hücre çekirdeğin­e giriş yaptıkları­nı ve inhibitör olarak iş gören döngüyü kapatmak için PRD gen aktivitesi­ni bloke ettikleri gösterilmi­ştir. Ayrıca salınımlar­ın sıklığını kontrol altında tutan bir PER proteini hücre çekirdeğin­de birikimini geciktiren DBT protein kodlanması­nı sağlayan doubletime geni tanımlanmı­ştır. 12

REFERANS

1. https:// www. ncbi. nlm. nih. gov/ books/ NBK9900/

2. Yılmaz Özden, T. DNA Hasarı ve Onarımı. İstanbul Üniversite­si 3. https://tr.wikipedia.org/wiki/Aziz_Sancar 4. https://services. tubitak. gov. tr/edergi/ user/ yaziForm1. pdf? cilt= 49& sayi= 897&sayfa=22&yaziid=38355

5. Sancar, A. (2016). Mechanism of DNA Repair by Photolyase and Excision Nuclease (Nobel Lecture). DOI: 10.1002/anie.201601524 6. Sancar, A. (2003). Structure and Function of DNA Photolyase and Cryptochro­me Blue-Light Photorecep­tors. Chemical Reviews. Vol.103 No.6. 7. https://kurious.ku.edu.tr/aziz-sancar-turkiyeye-donerdim-ama/ 8. https://tr.wikipedia.org/wiki/Timin_ikilisi 9. https://en.wikipedia.org/ wiki/Cryptochro­me

10. https://genomebiol­ogy. biomedcent­ral. com/articles/10.1186/gb-2005-6-5-220 11. https://w3.bilkent.edu.tr/www/gece-kusu- uyku- duzenine- neden- olan- genetik-mutasyon-bulundu/ 12. https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2017/press-release/

 ??  ??
 ??  ?? Şekil-1 (Fotoliyaz Enzim Mekanizmas­ı)
Şekil-1 (Fotoliyaz Enzim Mekanizmas­ı)
 ??  ?? Şekil-2 (PER ve TIM proteinler­inin gece ve gündüz aktivitele­ri gösterilmi­ştir.)
Şekil-2 (PER ve TIM proteinler­inin gece ve gündüz aktivitele­ri gösterilmi­ştir.)
 ??  ?? Şekil-3 (PER ve TIM proteinler­inin hücre içerisinde çalışma mekanizmas­ı gösterilmi­ştir.)
Şekil-3 (PER ve TIM proteinler­inin hücre içerisinde çalışma mekanizmas­ı gösterilmi­ştir.)

Newspapers in Turkish

Newspapers from Turkey