Son yıllarda, araştırmacılar hücrelerimizin nasıl çalıştığını yöneten moleküler mekanizmaları anlamada dikkat çeken ilerlemeler kaydetti. Bu süreçlerin merkezinde genom yer alır; bu, hücrelerin nasıl büyüdüğünü, bölündüğünü ve çevresel değişikliklere nasıl yanıt verdiğini belirleyen genetik talimatların tamamıdır. Bu yıl DNA sekanslama açısından çok ilgimi çeken bir çalışma yayınlandı. Henüz hakemli dergilerde yayınlanmayan bu çalışma DNA seviyesinde henüz cevaplanamamış bazı önemli soruları açıklama potansiyeline sahip.
Expansion in Situ Genome Sequencing (ExIGS) adı verilen bu yeni teknik genomun hücre çekirdeği içindeki fiziksel konumunun genetik aktiviteyi nasıl etkilediğini anlamamıza yardımcı olabilecek bir teknoloji. Bu güçlü yöntem, genom sekanslamayı yüksek çözünürlüklü mikroskopi ile birleştirerek, araştırmacıların genomun çekirdek içindeki mekansal organizasyonunu eşi benzeri görülmemiş bir ayrıntı düzeyinde keşfetmelerini sağlıyor.
Expansion in Situ Genome Sequencing (ExIGS) Nedir?
ExIGS, iki farklı yöntemin avantajlarını birleştiren bir hibrit teknolojidir: genom sekanslama ve mikroskopi. Genom sekanslama, bir hücrenin genetik yapısını çözerek önemli bilgiler sağlar. Ancak, geleneksel sekanslama teknikleri, bu genetik materyalin hücrenin 3D yapısı içinde nasıl organize olduğunu göstermez. Mikroskopi ise hücrelerin ve içerdikleri proteinlerin yapısını görselleştirmeye olanak tanır, ancak tüm genomu bir kerede görüntüleyemez.
ExIGS, bu sınırlamayı aşarak her iki yaklaşımı birleştirir. Bu süreç, hücre içindeki genomu sekanslama ve aynı anda mikroskopiyi kullanarak genomik materyalin çekirdek içindeki tam konumunu yakalamayı içerir. Bu entegrasyon, araştırmacılara genomun nasıl organize olduğunu ve bu organizasyonun hücresel işlevi nasıl etkilediğini bütünsel bir şekilde görme imkanı tanır.
ExIGS Nasıl Çalışır?
Süreç, hücrelerin sabitlenmesi ve hazırlanmasıyla başlar. Araştırmacılar, hücrenin yapısını korumak ve kromatini (kromozomları oluşturan madde) açarak daha fazla analiz için erişilebilir hale getirmek için kimyasallar kullanır. Ardından, ‘transpozisyon’ adı verilen bir süreç başlatılır; burada özel bir enzim, DNA'ya rastgele yerlerde küçük ‘etiketler’ (adapterler) yerleştirir. Bu adapterler, genetik materyali tanımlamak ve sekanslamak için sonradan kullanılacaktır.
DNA etiketlendikten sonra, fragmanlar dairesel hale getirilir (birleştirilir) ve belirli proteinler veya hücre parçalarını işaretlemek için immünboyama yapılır. Bu, bilim insanlarının proteinlerin genomla nasıl etkileştiğini gözlemlemelerini sağlar.
Sonra, örnekler özel bir jelde gömülür ve genişletilir. Bu, ExIGS teknolojisinin önemli bir parçasıdır. Hücre örneğinin genişletilmesi, hücrenin iç yapılarının daha yüksek çözünürlükle görselleştirilmesini sağlar.
Bu genişlemenin ardından, bilim insanları ‘yuvarlanan halka amplifikasyonu’ yapar, bu da DNA fragmanlarının birçok kopyasını oluşturarak sekanslama için yeterli materyalin olmasını sağlar.
Son olarak, hem yerinde (hücre içinde) hem de yer dışında (hücre dışında) sekanslama yapılır. Sekanslama, DNA'nın genetik kodunu okur, yerinde yapılan işlem ise her fragmanın 3D konumunu da yakalar. Bu bilgiler daha sonra mikroskopi görüntüleriyle entegre edilerek, araştırmacıların genlerin çekirdek içindeki tam yerlerini haritalamaları sağlanır.
Bu Teknoloji Neden Önemlidir?
Genom, çekirdek içinde rastgele düzenlenmiş değildir. Bunun yerine, DNA'nın belirli bölgeleri, aktivitelerini kontrol etmek için belirli alanlarda konumlandırılmıştır. Örneğin, gen ekspresyonuyla ilgili olan ve aktif DNA'nın bulunduğu euchromatin, çekirdeğin ortasında yer alırken, daha sıkı paketlenmiş ve baskılayıcı bir form olan heterokromatin çekirdek zarına yakın yer alır. Bu düzenlemelerdeki bozulmalar, kanser gibi hastalıklara veya Hutchinson-Gilford Progeria Sendromu (HGPS) gibi genetik bozukluklara yol açabilir. Bu sendrom, çekirdek şekli ve yapısındaki anormallikler nedeniyle erken yaşlanmaya neden olur.
ExIGS, genomun nasıl mekansal olarak organize olduğunu ve farklı çekirdek yapılarıyla nasıl etkileştiğini gözlemlemeyi mümkün kılarak, gen düzenlemesi hakkında faydalı bilgiler sunar. Bu süreçlerin hastalıklarda veya gelişim süresince nasıl değiştiğini anlamak, nihayetinde genetik bozuklukların kök nedenlerine yönelik yeni tedavi veya terapilerin geliştirilmesine yol açabilir.
Genetik ve Hücre Biyolojisi İçin Sonuçlar
Genomu doğal, üç boyutlu bağlamında inceleme yeteneği, genetik ve hücre biyolojisi için tamamen yeni olanaklar sunar. ExIGS, gen ekspresyonunu, kromatin organizasyonunu ve çekirdek mimarisini inceleme şeklimizi devrim niteliğinde değiştirebilir. Bu teknoloji sayesinde, genomun çekirdek içindeki fiziksel organizasyonunun gen aktivitelerini nasıl etkilediğini gözlemleyebiliriz ve bu organizasyondaki bozulmaların kanser, nörolojik bozukluklar ve yaşlanma gibi hastalıklara nasıl yol açtığını anlayabiliriz.
Gelecekte ExIGS, araştırmacıların şu tür soruları yanıtlamalarına yardımcı olabilir: Genomun farklı bölgeleri birbirleriyle nasıl etkileşir? Bu etkileşimler hastalıklar tarafından nasıl bozulur? Genomun organizasyonu veya yeni mutasyonların oluşması, hücreler yaşlandıkça veya çevresel faktörlere yanıt olarak nasıl değişir?
Sonuç olarak Expansion in Situ Genome Sequencing (ExIGS), genom sekanslamayı ve mikroskopiyi birleştirerek, genomun hücreler içinde nasıl organize olduğunu haritalamayı mümkün kılar. Bu, genlerin nasıl düzenlendiğini ve bozulmalarının hastalıklara nasıl yol açtığını anlamamıza olanak tanır. Genetik ve hücre biyolojisi alanındaki anlayışımızı dönüştürme potansiyeline sahip olan ExIGS, tıbbi araştırmalarda, genetik bozuklukları teşhis etme ve tedavi etme stratejileri geliştirmede önemli bir rol oynayabilir. Geleneksel DNA dizileme yöntemleri, örneğin Next-Generation Sequencing (NGS), DNA fragmanlarını topluca dizileyerek, genetik kodun doğrusal, bir boyutlu bir okumasını sunar ve genomin hücre içindeki fiziksel organizasyonuna dair herhangi bir bilgi vermez. Ayrıca geleneksel yöntemler bir hücre popülasyonunun ‘ortalama DNA dizilimini’ bilgi olarak sunar. Bu yöntemler tek hücre seviyesinde dizilimi bilgisi verecek şekilde geliştirilmiş olsa dahi, hücrenin içinde nerede olduğuna dair bir bilgi veremiyorlar. ExIGS öncesinde kullanılan yöntemler güçlü olsalar da belirli genlerin birbirleriyle olan ilişkilerinin veya bu genlerin çekirdek içindeki mekansal düzeninin nasıl faaliyetlerini etkilediğine dair bilgi sunmazlar.
Bu yeni teknoloji bugün oldukça zahmetli bir süreç sonrasında uygulanabiliyor. Ancak bu süreç kolaylaştıktan ve yaygınca uygulanabilir hale geldikten sonra çok heyecanlı yeni veriler edinip, daha önce iyi anlayamadığımız kanser ve yaşlanma gibi süreçlerle ilgili çok daha iyi fikrimiz olacak.
