DNA zincirleri eşlerini nasıl buluyor?

DNA'nın yapısının 50 yıl önce açıklanmasına rağmen bir DNA zincirindeki “harf”lerin milyonlarca “harf” arasından eşini nasıl bulduğu bugüne kadar açıklanamamıştı. Yeni yayınlanan bir çalışmada moleküler genetikçiler bu mekanizmaya dair önemli bulgular elde ettiler.

Milyonlarca “harften” yani bazdan oluşan DNA molekülü radyasyon gibi zararlı etkiler altında kırılabilir. Bu kırılmalar düzeltilmezse doğum kusurlarına ya da kansere yol açabilir.

Bitki ve hayvan hücrelerinde DNA kırıklarını tamir için özel bir mekanizma bulunur. Homolog (‘eş’) rekombinasyon denilen bu mekanizma hücrede DNA zincirlerinden ikişer kopya bulunmasından yararlanır. Örneğin babadan gelen DNA zincirinde sorun çıkarsa, sorun çıkan bölge anneden gelen ‘eş’ zincir yararlanarak düzeltilebilir. Bu mekanizma uzun zamandır bilinse de, DNA zincirlerinin eşlerini nasıl buldukları sorusu biyologları 30 yılı süredir meşgul etmekteydi.

Geçen hafta Nature dergisinde yayınlanan çalışma, Kaliforniya Üniversitesi-Davis’ten Stephen Kowalczykowski'nin laboratuvarında 20 yıl boyunca yapılan gözlemler sonucu geliştirilen bir teknikle bu soruyu cevapladı. Teknik, çeşitli uzunluklarda DNA parçalarının kopyalanması ve tamirinde görev alan proteinlerin gerçek zamanlı olarak izlenmesine dayanıyor.

DNA normalde çifte sarmal (birbirine sarılmış iki molekül) halinde bulunuyor. Ancak hata ya da hasar oluşmasının ardından sorunlu kısım, DNA tamir proteinleri tarafından kesilip çıkarılıyor ve tek zincirli bir DNA molekülü elde edilmiş oluyor. Ardından bu DNA zincirinin, aynı diziyi taşıyan ‘eş’ DNA molekülünü bulması gerekiyor.

Örneğin babadan gelen GAATGCG dizisi kırıldı ve GAAT kısmı kaldı. Bu kısım tek zincirli hale geliyor ve enneden gelen GAATGCG dizisini ‘aramaya başlıyor’. Bulduktan sonra babadaki kopyaya göre hasarı onarmak mümkün oluyor.

Peki tek zincirli DNA parçası, milyonlarca olasılık arasından kendi tamamlayıcısını nasıl buluyor? 1970'lerde bilimciler RecA (hayvanlarda Rad51) adını verdikleri bir protein keşfettiler. Bu proteinin tek zincirli DNA parçasına bağlanıp, bu DNA parçasını kromozomda ait olduğu yere götürecek bir iplikçik ürettiği bulunmuştu. Bu protein hasar tamirinde o kadar önemliydi ki, RecA’sı kusurlu olan hayvanlar daha gelişemeden ölmekteydi. Ancak bu iplikçiğin kromozomdaki tamamlayıcı DNA dizisini nasıl arayıp bulduğu hala bir soru işaretiydi.

Önce DNA'ya bağlanmış haldeki RecA proteinin, doğrusunu bulana kadar denk geldiği farklı DNA dizilerini denediği düşünülmüştü. Ancak sözkonusu DNA dizilerinin sayısı o kadar büyük ki bu deneme-yanılmayı yapmak samanlıkta iğne aramaktan farksız olurdu.

Bunun üzerine iki farklı model mekanizma daha önerildi. Biri DNA ve ona bağlı haldeki RecA proteininin, ikili sarmal halinde bulunan DNA ile temas halinde kalarak, doğru yeri bulana kadar üzerinde kayıyor olabileceği yönündeydi. Diğeri ise yerleşilecek olan DNA'nın bir tabak spagetti gibi dolanmış halde bulunması ve bu yığında yerini arayan RecA-DNA parçacığı ikilisinin eş zamanlı olarak birden fazla noktaya temas edip doğru yeri arama ve bulma süresini kısaltıyor olabileceği şeklindeydi.


Önerilen modelleri test etmek için iki zincirli DNA dizisini iki küçük polistiren tanecik arasında gererek halter şeklini alması sağlandı (Sağdaki resimde Polisitren taneciklerin (sarı yuvarlaklar) arasında DNA zincirinin (yeşil) gerilmesiyle oluşan halter biçimi ve DNA zinciri üzerindeki RecA/DNA kompleksi (kırmızı) görülüyor). Lazer yardımıyla polistiren tanecikler yerlerinde sabit tutulabiliyor veya taneciklerden birinin yönlendirilmesiyle DNA dizisinin bobin gibi sarılı hale getirilmesi mümkün oluyordu. Daha sonra bu ortama RecA ve başka bir DNA parçacığı ikilisini ekleyen araştırmacılar, birbirleriyle temas halindeki bu ikilinin DNA dizisine, dizinin gerili bulunduğu halde mi yoksa bobin gibi sarılı bulunduğu halde mi daha iyi bağlandığını gözlemlediler. Sonuç bobin gibi sarılı bulunduğu haldeyken daha kısa sürede ve en verimli şekilde hedefe bağlandığı oldu.

Bulgular RecA'nın DNA boyunca kayarak değil, karmaşık halde duran DNA yığınına aynı anda birçok noktadan temas ederek uygun yeri bulduğu şeklindeki modeli destekliyordu. Yani önünüzde bir tabak spagetti olduğu düşünüldüğünde, protein/DNA kompleksi, tek bir makarna üzerindeki küçük bir noktayı aramak için makarnaları yığın halinde tutup hızlıca bakma yolunu kullanıyordu. Ucuca eklenmiş makarna zinciri üzerinde, her an sadece bir noktayı yoklayarak uzun zincir üzerinde kayma yolunu değil.

Bu mekanizmanın daha iyi anlaşılması, DNA tamir mekanizmalarındaki aksaklıklarla ilişkilendirilen sorunların giderilmesinde önemli bir adım teşkil ediyor. Kanserden yaşlanmaya kadar pek çok sorun ve hastalık, doğuştan gelen tamir mekanizmalarının yetersizliğinden kaynaklanıyor. Örneğin Kowalczykowski'nin grubu 2010 yılında, göğüs kanseriyle ilişkilendirilen BRCA2 proteininin Rad51’e DNA tamirinde yardımcı olduğunu bulmuşlardı. BRCA2 genindeki sorunların göğüs kanseri riskini artırması bu açıdan şaşırtıcı değil. Hasar mekanizmaları daha iyi anlaşıldıkça, hücreleri ve DNA’yı hasardan koruyacak yeni yöntemlerin de önü açılabilir.

İlgili makale:

Anthony L. Forget & Stephen C. Kowalczykowski, Single-molecule imaging of DNA pairing by RecA reveals a three-dimensional homology search, Nature, 2012. DOI: 10.1038/nature10782