İnsan DNA’sının “şifre kitabı” 177 transkripsiyon faktörünü haritaladı: Metilasyon kuralları değiştirebiliyor

Laboratuvar ortamında belirlenen motifler, hücrelerde gözlenen transkripsiyon faktörü bağlanma bölgelerinde güçlü biçimde zenginleşti. Bu sayede araştırmacılar, insan genomunda daha önce tanınmayan on binlerce korunmuş ve doğrudan bağlanma bölgesini ortaya çıkardı. Bu bölgelerin önemli bir bölümü, genlerin başlatılmasına yardımcı olan promotör bölgelerinde bulunuyor. Elde edilen veriler, transkripsiyon faktörü bağlanması ile gen etkinliği arasındaki bağlantıları kurmayı da kolaylaştırıyor.

Codebook ile birlikte, DNA bağlanma motifi bilinen insan transkripsiyon faktörlerinin sayısı yaklaşık 1.421’e ulaşıyor. Bu sayı, tahmin edilen yaklaşık 1.600 insan transkripsiyon faktörünün büyük bölümünü kapsıyor. Yine de bu kaynak, gen düzenlemesinin bütün ayrıntılarını tek başına açıklayan tamamlanmış bir model değil; daha çok, hangi proteinin hangi DNA dizisini tanıyabildiğini gösteren kapsamlı bir referans haritası niteliğinde.

meSMiLE-seq neyi ortaya koydu?

Klasik motif haritaları, bir proteinin belirli bir DNA dizisini tanıyıp tanımadığını gösterebilir. Ancak aynı DNA harfi kimyasal olarak değiştirildiğinde bağlanmanın nasıl etkilendiği sorusuna tek başına yanıt veremez.

Deplancke’nin ekibi bu soruyu incelemek için meSMiLE-seq yöntemini geliştirdi. Açılımı “methylation-sensitive selective microfluidics-based ligand enrichment followed by sequencing” olan yöntem, bir transkripsiyon faktörünün eşleştirilmiş metillenmiş ve metillenmemiş DNA dizilerine bağlanmasını aynı deney düzeninde karşılaştırıyor. Böylece hem DNA dizisi tercihi hem de metilasyona duyarlılık modellenebiliyor.

Veri kaydına göre araştırmacılar 23 deneyde 114 insan transkripsiyon faktörünü test etti ve 48 faktör için bağlanma modeli oluşturdu. Bu 48 faktörün 13’ü metillenmiş DNA’dan kaçınırken, 11’i metillenmiş DNA’yı tercih etti veya metilasyonu içeren alternatif bir bağlanma bölgesi gösterdi. Geri kalan faktörlerde ise deney koşulları altında DNA metilasyonundan belirgin biçimde etkilenmeyen bağlanma gözlendi.

Bazı özetlerde, metilasyonla artan veya değişen bağlanma gösteren faktörlerin sayısı 14 olarak aktarılıyor. Ancak atıf yapılan veri kümesinin özeti bu grubu 11 olarak bildiriyor. Bu nedenle en temkinli yorum, metilasyona bağlı etkilerin yalnızca faktörlerin bir bölümünde görüldüğü; bu kayda göre 13 faktörde bağlanmanın azaldığı, 11 faktörde ise bağlanma tercihinin arttığı veya değiştiği yönünde.

Metilasyon yalnızca bir “kapatma düğmesi” değil

Bulgular, DNA metilasyonunun gen etkinliğini her durumda otomatik olarak baskıladığı yönündeki basitleştirilmiş görüşü sorguluyor. Metilasyon, bir transkripsiyon faktörünün motifi tanımasını engelleyebilir; ancak bazı durumlarda proteinin tercih ettiği kimyasal ortamı oluşturabilir veya bağlanacağı diziyi değiştirebilir. Sonuç, hem transkripsiyon faktörüne hem de incelenen DNA dizisine bağlı.

Bu durum, aynı genoma sahip hücrelerin nasıl farklı işleyiş programları sürdürebildiğini açıklamaya yardımcı oluyor. Farklı hücre tipleri farklı transkripsiyon faktörleri üretir ve DNA metilasyonunu genomun farklı bölgelerinde taşır. Bu nedenle aynı DNA dizisi bir hücrede göz ardı edilebilir, başka bir hücrede farklı bir faktör tarafından tanınabilir veya metilasyon durumuna bağlı olarak aynı faktöre farklı güçte bağlanabilir.

Başka bir deyişle çalışmalar, gen düzenlemesinin iki katmanını bir araya getiriyor: DNA harflerinde yazılı dizi kodu ve bu harflerin hücre tarafından nasıl okunacağını etkileyen epigenetik durum.

Hastalık araştırmaları açısından neden önemli?

Genişletilmiş motif kataloğu, protein üretmeyen DNA bölgelerinde bulunan genetik değişikliklerin yorumlanmasını iyileştirebilir. Bu tür kodlamayan varyantlar, bir transkripsiyon faktörünün bağlanma motifini bozabilir veya yeni bir motif oluşturabilir. DNA metilasyonu da değişen bölgenin belirli bir hücre tipinde gerçekten tanınıp tanınmayacağını etkileyebilir.

Bu nedenle kaynak; gelişim, yaşlanma ve kanser sırasında ortaya çıkan düzenleyici değişiklikleri inceleyen araştırmalarda kullanılabilir. Ancak Codebook ve meSMiLE-seq, doğrudan klinik tanı testi değil, temel araştırmalar için oluşturulmuş referans kaynaklardır. Bağlanma modelleri yeni deneyler ve genetik varyantların yorumlanması için daha güçlü bir başlangıç noktası sunsa da biyolojik etkiler hücresel ortama bağlıdır ve ilgili sistemlerde ayrıca doğrulanmalıdır.

Daha geniş anlamı

Codebook projesi, Kuzey Amerika, Avrupa ve Rusya’daki ikiden fazla düzine kurumu bir araya getiren geniş bir uluslararası iş birliğinin ürünü. Projenin değeri yalnızca ölçülen faktörlerin sayısından değil, birbirini tamamlayan deney yöntemlerinin, hesaplamalı analizlerin ve hücrelerdeki doğrulamaların birlikte kullanılmasından kaynaklanıyor.

İki çalışma birlikte, insan gen düzenlemesini açıklamak için daha esnek bir modele ihtiyaç olduğunu gösteriyor. Hücreler DNA’yı, her motifin değişmez bir anlama sahip olduğu sabit bir sözlük gibi okumuyor. DNA dizisi; kimyasal değişiklikler, hücrede bulunan transkripsiyon faktörleri ve çevredeki hücresel koşullarla birlikte yorumlanıyor. Codebook bu dizisel “kelime dağarcığını” kataloglamaya başlarken, meSMiLE-seq metilasyonun bu kelime dağarcığının nasıl okunacağını değiştirebildiğini gösteriyor.