Sıçrayan Genlerimiz: Transpozonlar
Gizem Ustabaş -Tıbbi Biyoloji Anabilim Dalı-Sağlık Bilimleri Enstitüsü, Hacettepe Üniversitesi, Yüksek Lisans
Genomda yerinde duramayan, yer değiştirebilen (transposable) elementler veya transpozonlar, 1940’lı yıllarda ilk defa genetikçi Barbara McClintock tarafından mısır bitkisinde keşfedilmiştir.[1] Birçok araştırmacı tarafından parazit olarak görülen, hatta işlevini kaybetmiş çöp DNA (junk DNA) ile ifade edilen bu diziler McClintock sayesinde ciddiyet kazanmış ve gen ifadesini düzenleyici bir rol oynadıkları ileri sürülmüştür. Ökaryotlar ve prokaryotlar dahil olmak üzere neredeyse tüm organizmalarda var olan bu genler insan genomunun %65’inden fazlasını oluştururken, mısır genomunun yaklaşık %85’ini meydana getirmektedir.[2] Mısır bitkisi bu genleri çalışmak için fazlasıyla uygun bir ortam yaratırken McClintock da tam olarak bunu kullanmış ve mısırla neredeyse hayatı boyunca süren çalışmalarını gerçekleştirmiştir.[3] Transpozonların sebep olduğu genomdaki değişiklikleri fark eden McClintock bu keşfiyle de 1983 yılında Nobel Ödülü almıştır.
Mısır bitkisinde McClintock tarafından keşfedilen ilk yer değiştirebilen elementler sistemi aktivatör (activator, Ac) / dağıtıcı (dissociation, Ds) olarak tanımlanmaktadır. Ac elementleri kendi başlarına hareket edebildikleri için otonomdurlar. Bunun yanında Ds elementleri ise otonom değildirler çünkü transpozisyonları için gerekli olan transpozaz veya ters transkriptaz enzimlerinin genlerinden yoksundurlar. Bu durumda yer değiştirme hareketini sağlamak için Ac’nin varlığına ihtiyaç duyarlar.[4] Ac/Ds elementleri genlere eklenebilmekte, böylece onların ekzisyonuyla normale dönebilen mutantlara yol açabilmektedirler. Mısır tanelerindeki mozaik renkler Ac/Ds elementlerinin fenotipik sonucu olarak görülmektedir. Diğer yandan sınıf 1 ve sınıf 2 transpozonlar da otonom olabilir veya olmayabilirler. Daha ne sınıfı varmış yeterince okuduk derseniz bu sadece bir başlangıçtı.
Transpozonlar bulundukları genom içerisinde yeni bir konum alabilecekleri çeşitli diziler içermektedirler. Bununla birlikte değiştirecekleri pozisyon için sahip oldukları mekanizmaları kullanan transpozonlar iki sınıfa ayrılmaktadır; retrotranspozon (sınıf 1) ve DNA transpozon (sınıf 2) (Şekil1). Retrotranspozonlar, bir RNA ara maddesi yoluyla kendini yeni bir pozisyona kopyala-yapıştır mekanizmasıyla kopyalarken, DNA transpozonlar kes-yapıştır mekanizmasıyla hareket ederler.[5] Böylece, retrotranspozonlar sayılarını DNA transpozonlarına kıyasla arttırmış olurlar. Bununla ilişkili olarak insan genomunda %2’den daha az DNA transpozonlarının bulunuyor olması bizi şaşırtmayacaktır.[4]
Sınıf 2 olarak da tanımladığımız DNA transpozonlar, her iki ucunda da yaklaşık 9 ile 40 baz çifti uzunluğunda ters çevrilmiş tekrarlar (terminal inverted repeat) ile çevrelenmiştir (Şekil 2). Adından da anlaşılacağı üzere bu tekrarlar birbirlerinin tersine çevrilmiş tamamlayıcılarıdır. Bir uçtaki tekrar karşıdaki tekrarın bir ayna görüntüsüdür ve tamamlayıcı nükleotitlerden oluşmaktadır. Örnek olarak ACGCTA'nın tamamlayıcısı (şekilde transpozonun sağ tarafındaki ters çevrilmiş tekrar, 3’) TGCGAT'dir (şekilde transpozonun sol tarafındaki ters çevrilmiş tekrar, 5’). Ters çevrilmiş tekrarların görevlerinden biri de DNA transpozonların (sınıf 2) sıçramalarını sağlayan transpozaz enzimleri tarafından tanınmaktır. Bunun yanında sınıf 1 ve sınıf 2 dahil olmak üzere tüm transpozonlar komşu direkt tekrarlara (flanking direct repeat) sahiptir (Şekil 2). Transpozonların bir parçası olmaktan çok, onların yerleşiminde rol oynarlar. Bir transpozon çıkarılırken bu tekrarlar arkasında kalan ayak izi (footprints) gibidir. Transpozon genomda yer değiştirmesine rağmen arkasında bıraktığı bu ayak izi, gen ifadesinin değişmesine yol açabilmektedir.[4]
Sınıf 1 olarak isimlendirdiğimiz retrotranspozonlar, sınıf 2’den farklı olarak tranpozaz kodlamak yerine RNA transkriptleri üretirler ve RNA dizileri ters transkriptaz enzimiyle dönüştürülerek hedef bölgeye yerleştirilmektedir (Şekil 1). Retrotranspozonların iki önemli çeşidi vardır; uzun bitiş tekrarları (long terminal repeats, LTRs) ve uzun olmayan bitiş tekrarları (non-long terminal repeats, non-LTR). Bunlardan uzun serpiştirilmiş element (long interspersed element 1, LINE1 or L1) ve Alu genleri non-LTR ailesini temsil etmektedir. L1 elementlerinin uzunluğu ortalama 6 kilobazken, Alu elementleri ise birkaç yüz nükleotidden oluşur.[6] Bu durum onları kısa serpiştirilmiş yer değiştirebilen elementler (short interspersed transposable element, SINE) yapmaktadır. L1, Alu kadar çok kopyada bulunmamasına rağmen daha büyük boyutuyla insan genomunun tahmini %15-17’sini oluşturmaktadır.[4] İnsanlardaki bu non-LTR transpozonlar tek aktif transpozon sınıfıdır. LTR retrotranspozonları ve DNA transpozonları sadece antik genomik kalıntılar olmakla birlikte sıçrama özelliği gösteremezler.[4] L1’in aksine çoğu transpozon susturulmuştur, bunlar fenotipik bir etki yaratamaz ve genomda aktif hareket edemezler. Kromozomal bir konumdan diğerine hareket etme yeteneklerini etkileyen mutasyonlara sahip olan bazı susturulmuş transpozonlar etkisizdir. Geriye kalan diğer transpozonlar ise yeterince hareket edebilir olmalarına karşılık DNA metilasyonu, kromatin yeniden modellenmesi ve miRNA'lar gibi epigenetik savunma mekanizmaları tarafından hareketsiz tutulmaktadırlar.[4] Transpozon susturma için bir örnek verecek olursak, Arabidopsis bitkilerini ele alalım. Bu bitkileri inceleyen araştırmacılar 20’den fazla, farklı mutatör transpozon dizisi (mısırda tanımlanmış bir tür transpozon) keşfetmişler. Yabanıl tip (wild-type) bitkilerde bu diziler metillenmekte veya susturulmaktadır.[4]
Genoma rastgele yapılan insersiyonların çoğu zararsız görünüp yıkıcı sonuçlarla kritik gen işlevlerini bozabilirler. Transpozonlar kanserden hemofiliye kadar çeşitli insan hastalıklarıyla ilişkilendirilmiştir.[5] Diğer yandan transpozon sıçramaları hep zararla sonuçlanmaz. Genomik dizilerin yer değiştirmesini, ekzonların karıştırılmasını ve çift sarmallı kırılmaların onarımını kolaylaştırarak genomların evrimini yönlendirebilmektedirler.[4] Transpozonların genetik çeşitliliği artırma yeteneği, genomun çoğu transpozon aktivitesini inhibe etmesiyle birlikte yer değiştirebilen elementleri evrimin ve gen düzenlenmesinin önemli bir parçası haline getiren dengesiyle sonuçlanmaktadır.
Referanslar
1.Pray, L. (2008). Transposons, or jumping genes: Not junk DNA? Nature Education, 1(1), 32
2.Ravindran, S. (2012) Barbara McClintock and the discovery of jumping genes. PNAS, 109 (50) 20198-20199; doi.org/10.1073/pnas.1219372109
3.Kim YJ, Lee J, Han K. (2012). Transposable Elements: No More 'Junk DNA'. Genomics Inform, 10(4):226-233. doi:10.5808/GI.2012.10.4.226
4.Pray, L. (2008) Transposons: The jumping genes. Nature Education 1(1):204
5.Agren, J. A., Clark, A. G. (2018). Selfish genetic elements. PLoS genetics, 14(11), e1007700. doi.org/10.1371/journal.pgen.1007700
6.Payer, L.M., Burns, K.H. (2019). Transposable elements in human genetic disease. Nat Rev Genet 20, 760–772 doi.org/10.1038/s41576-019-0165-8