Biyoloji, genetik talimatlarını DNA’nın sağ elli çift sarmalının omurgası içindeki baz çifti dizilerinde ve daha sonra kopyalanan RNA molekülleri aracılığıyla kodlar. Peki ya bu nükleik asitlerin sarmalları ters sol el yönünde bükülseydi? Bu ünlü molekülün stok resimlerinde bazen görülen bir hatadır ancak Z-DNA olarak bilinen sol elli DNA konformerinin kristal yapısı 1970’lerde yayımlanmıştır. Sağ elini kullanan versiyondan biraz farklı görünüyor – pürüzsüz bir tirbüşondan ziyade, omurga zig-zag bir şekil oluşturuyor ve bu da isminin ortaya çıkmasına neden oluyor. Araştırmalar Z-nükleik asitlerin biyolojide bir rol oynayabileceği önerilerine yol açtı ancak bunlar yaygın olarak şüpheyle karşılandı.
Son beş yıl içinde, hem DNA hem de RNA’nın biyolojide sol elli çift sarmallar oluşturduğuna ve bu yapıların viral enfeksiyon ve iltihaplanmaya karşı bağışıklık tepkilerimizde rol oynadığına dair net kanıtlar ortaya konmuştur. Z-DNA genetik kontrolde temel bir role bile sahip olabilir. Şimdi giderek büyüyen bir araştırmacı topluluğu, bu yeni biyolojinin kanser ve diğer hastalıklarla savaşmak için nasıl kullanılabileceğini araştırıyor.
İlk Bakış
Z-nükleik asit hikayesi, protein sentezinde amino asitleri taşıyan transfer RNA moleküllerinin yapısını çözmesiyle tanınan Biyofizikçi Alexander Rich’in MIT laboratuvarında başlar. 1980’lerde laboratuvarı, normal sağ elli B-DNA’nın, özellikle yüksek tuz konsantrasyonlarında, genellikle termodinamik olarak daha az tercih edilen sol elli Z konformasyonuna dönüşebileceğini keşfetmişti. Sarmalın yönünün değiştirilmesi B-DNA’nın ayna görüntüsünü oluşturmaz çünkü sol-elli versiyonda bazlar, B-DNA’da olduğu gibi sadece anti pozisyonu yerine, bazın şeker halkasından uzağa işaret ettiği anti pozisyonu ile bazın şeker halkasının üzerine çıktığı syn pozisyonu arasında değişir. Bu da iki sarmal arasında eşit oluklara ve zig-zag görünümüne sahip bir yapıya yol açıyor. Rich’in grubu ayrıca, spiralinin yönünün değiştiği yerde, en az bir eşleşmemiş bazın B-Z birleşimi olarak bilinen sarmalın dışına çıktığını keşfetti.
Ancak Z-nükleik asitlerin doğada var olduğunu ve biyolojik bir işlevi olduğunu kanıtlamak daha zorlu bir görevdi. Z-DNA’yı tanıyan bir antikor probu kullanarak, plazmitlerde (küçük dairesel DNA molekülleri), baz çiftlerinin, özellikle pürin guanin (G) ve pirimidin sitozin (C) olmak üzere tekrarlanan alternatif pürin ve pirimidin motiflerine sahip olduğu bölümlerde Z konformasyonuna dönüşebilen uzantılar buldular.
İnsan genomunda, genellikle gen transkripsiyonunun başlatıldığı promotör bölgeleri etrafında kümelenen, 100 baz çiftine kadar bu tür yüzlerce dizi tespit edilmiştir. Araştırmacılar, Z-DNA oluşumunun aktif transkripsiyon sırasında, az sarmallı çift sarmallı DNA bölgelerinin (negatif süper sarmal olarak bilinir) bulunduğu açılmış DNA’nın arkasında termodinamik olarak daha fazla tercih edildiğini göstermiştir. Bulmacanın bir başka parçası da, hem Z-DNA’ya hem de yüksek oranda tekrar eden dizilerde kendisiyle eşleşebilen ve Z konformasyonunu alabilen çift sarmallı RNA’ya, çift sarmallı Z-nükleik asit omurgasına bağlanan Zɑ adlı bir domain içeren birkaç proteinin keşfedilmesiydi.
Rich ve meslektaşları, Z-DNA’nın bir transkripsiyon kontrolörü gibi davrandığını, DNA bölümlerinin iki konformer arasında gidip gelerek genleri dinamik olarak açıp kapadığını öne sürdü. O zamanlar Rich’in laboratuvarında araştırmacı olan İmmünogenetikçi Alan Herbert, “Herkes bu konuda heyecanlıydı” diyor. Ancak, ‘veriler bu gerçekten basit modeli desteklemiyordu’ dedi. 2000 yılına gelindiğinde bu fikir ivme kaybetmiş, pek çok kişi Z-nükleik asitleri biyolojiyle çok az ilgisi olan ilginç bir kimyasal anomali olarak görmeye başlamıştı. Herbert, “Toplantılara gidiyor ve bulduğum Z-DNA bağlayıcı proteinle ilgili posterler asıyordum ve dünya gözlerini kaçırarak başka tarafa bakarak geçip gidiyordu,” diye hatırlıyor.
Tüm bunlar 2019 yılında, şu anda ABD Massachusetts merkezli bir DNA terapötik şirketi olan InsideOutBio’nun kurucusu olan Herbert’in bölgeye dönmek için biraz zamanı olduğunda ve keşfettiği Z DNA tanıyan proteinlerden birindeki mutasyonları birkaç ciddi nörogelişimsel durumla doğrudan ilişkilendirebileceğini keşfettiğinde değişti. Aicardi-Goutieres sendromu ve bilateral striatal nekroz/distoni, interferon adı verilen bağışıklık sinyal moleküllerinin düzenlenememesiyle bağlantılıdır. Z nükleik asitlerini bağlama yeteneğini kaybetmek ciddi sonuçlara yol açabilir ve Z nükleik asitlerinin biyolojide mevcut olduğunu kesin olarak gösterir.
Doğuştan Gelen Bağışıklık
Oxford Üniversitesi’nde İmmünolog olan Jan Rehwinkel, “Son beş yılda gerçekten heyecan verici olan şeylerden biri, bu olağandışı Z-konformasyonunun doğuştan gelen bağışıklık tepkilerini tetiklediğinin farkına varılmasıdır” diyor. Bunlar, vücudumuzun enfeksiyona ya da diğer hücre düzensizliği türlerine karşı oluşturduğu hızlı ilk savunma hattıdır. Bunu yapmanın bir yolu, tüm hücrelerdeki viral nükleik asitleri tespit edebilen ve interferon 1 molekülü aracılığıyla sinyal yollarını harekete geçirerek sonunda enfekte veya hasarlı hücrelerin ölümüne yol açan nükleik asit sensör proteinleridir.
Birçok dairesel viral nükleik asidin Z konformasyonuna dönmeye eğilimli uzantılara sahip olduğu ve bağışıklık sisteminin bunu Z-DNA bağlayıcı protein 1 (ZBP1) adı verilen ve her biri yaklaşık 80 amino asitlik iki Zɑ domaini içeren, herhangi bir Z-nükleik asit omurgasının etrafına özel olarak bağlanan ve bir bağışıklık tepkisini tetikleyen kanatlı bir sarmal motifini benimseyen bir proteinle algılamaya adapte olduğu ortaya çıktı. Rehwinkel bunu, Z-nükleik asitleri bağlayamayan mutasyona uğramış ZBP1 proteinleri ile tasarlanmış fareler kullanarak kanıtlamıştır. Viral enfeksiyonda, sinyalizasyon ve hücre ölüm yolu çalışmadı.
Ancak viral enfeksiyonun yanı sıra Z-RNA, enfekte olduğunda veya enflamasyon nedeniyle stres altında olduğunda hücrelerin kendileri tarafından da üretilir. Rehwinkel, “İnsan genomu da dahil olmak üzere memeli genomlarında endojen retro elementler olarak adlandırılan pek çok şey var” dedi. Bunlar milyonlarca yıl önceki retroviral enfeksiyondan kalan (kısa DNA) kalıntılarıdır ve bunların çoğu tekrarlayıcıdır ve bunlardan bol miktarda vardır. Bu yüksek oranda tekrar eden dizilerin milyonlarca kopyası insan genomu boyunca dağılmış durumda.
Hücre strese girdiğinde, Z-RNA’yı oluşturan bu bölgelerin ekspresyonunu indüklemeye başlar. Herbert, “Virüsler genellikle RNA mesajının sonlandırılmasını bozar ve böylece aniden, hücrede normalde transkribe edilmeyen bölgeleri transkribe edersiniz” diye açıklıyor. Diğer hastalıklar da yüksek düzeyde Z-RNA’ya neden olabilir ve bu da Z-sensör proteini ZBP1’in daha fazla üretilmesine ve daha büyük bir bağışıklık tepkisine yol açar. Rehwinkel, bu Z-RNA’nın otoimmün hastalık ve kanser de dahil olmak üzere bir dizi sağlık koşulunda önemli bir rol oynadığını düşünüyor.
Ancak insan biyolojisinin bunu önlemek için başka bir numarası daha var. Şimdiye kadar keşfedilen ve Z-nükleik asitleri tanıyan diğer insan proteini ise bir RNA düzenleme enzimi olan ADAR (RNA üzerinde etkili adenozin deaminaz). Çift sarmallı RNA’lardaki adenozin (A) bazını, kimyasal olarak guanozine (G) benzeyen inozine dönüştürür ve böylece RNA’nın baz eşleşmesini bozar. Bunu yaparak RNA’nın kendisine bağlanmasını durdurur, çift sarmallı Z-RNA’yı ve neden olduğu bağışıklık tepkisini ortadan kaldırır. 2022 yılında farklı metodolojiler kullanılarak yapılan bir dizi yayın bu mekanizmayı doğrulamıştır.
Kanserle Mücadele
ABD’nin Maine eyaletindeki Jackson Laboratuvarı’nın (JAX) memeli genetiği araştırma kampüsünde immünolog olarak görev yapan Philip West, hücrelerde Z-nükleik asit algılamasının başka bir şekilde gerçekleştiğini gösterdi. West’in çalışması, hücre hasarının bir başka işareti olan mitokondriyal DNA’nın (mtDNA) mitokondriden hücre sitoplazmasına sızması durumunda ne olduğuna odaklanıyor. Sitoplazmada mitokondriyal DNA’nın varlığı, yaygın kemoterapi ilacı doksorubisinin neden olduğu kardiyolojik hasarla ilişkilendirilmiştir. West, bu durumun kemoterapiyi aksatabileceğini ancak uzun vadeli sonuçları da olabileceğini belirtiyor. “Tedavi gören çok sayıda insan hiçbir etki yaşamıyor ve bazen 30 yıl sonra kalp fonksiyonlarıyla ilgili sorunlar geliştiriyor ve kalp yetmezliği yaşayabiliyor.
West, “Mitokondriyal DNA’nın, dairesel bir genom olduğu göz önüne alındığında, birçok açıdan bakteriyel veya viral DNA’ya çok benzediği ortaya çıktı” dedi. “Dolayısıyla, bu ZBP1-interferon yolunun kemoterapiye bağlı kardiyotoksisitede bir rol oynayabileceğini düşündük. Önceki çalışmalar, DNA bazları arasında interkalasyon yapabilen doksorubisinin, DNA’nın Z formuna dönüşmesine yol açan bir tür süper sarmala neden olduğunu da göstermişti ve West, doksorubisinle tedavi edilen hücrelerde Z-DNA seviyelerinin arttığını gösterdi.
West daha sonra ZBP1 ve interferon 1 sinyal molekülünden yoksun genetik modifikasyona tabi tutulmuş fareler kullanmış ve bu farelerin doksorubisin kaynaklı kardiyolojik hasardan korunduğunu tespit etmiştir. West, “Bizim için heyecan verici olan (Z-bağlayıcı protein) ZBP1’i bir oyuncu olarak tanımlamış olmamız” dedi. West’in uzun vadeli hedefi, kanser hücrelerinin yok edilmesine olumlu katkısı olabilecek tümörlerde bağışıklık yolunu kapatmadan, kalp hücrelerinde mitokondriyal Z-DNA’nın etkisini azaltacak bir tedavi tasarlanıp tasarlanamayacağını görmek.
Herbert şimdi Z-nükleik asitlerin kanserle mücadelede nasıl kullanılabileceğine odaklanıyor. Kanser hücrelerinde yanlış düzenlenmiş gen ekspresyonu da Z-RNA birikimine yol açıyor. Normalde bu durum ZBP1 tarafından algılanır ve hücre ölümüne yol açar ancak birçok tümör, Z-nükleik asitleri düzenleyerek ve bunu yaparken herhangi bir bağışıklık tepkisini bastırarak kendilerini korumak için ADAR enziminin üretimini kullanmalarına izin veren mutasyonlar geliştirmiştir. Hücre kültüründe, kanserlerin %40’ından fazlasının hayatta kalmak için ADAR’a bağımlı olduğu bulunmuştur.
Herbert tarafından geliştirilen çözüm, DNA bölgelerinin Z konfigürasyonuna dönmesini ve daha fazla Z-RNA üretmesini tetikleyebilecek, böylece ADAR düzenleme sürecini geçersiz kılacak ve bir bağışıklık tepkisini harekete geçirebilecek küçük bir molekül aramaktı. Sağlıklı hücreler minimum miktarda Z-nükleik asit algılayıcı protein ürettiklerinden, bu hücre ölüm yoluna karşı daha az savunmasız olacaklardır. Herbert, “Enflamatuar ortamın devam ettiği tümör hücreleriniz olduğunda, bunlar gerçekten savunmasızdır, bu nedenle tümörlerde bir hücre ölüm yolunu aktive edebilirseniz, o zaman oldukça iyi bir terapötik aralığınız olur” dedi.
ABD’de Philadelphia’daki Fox Chase Kanser Merkezi’nde Sid Balachandran liderliğinde Herbert ile birlikte çalışan araştırmacılar, antikanser özelliklere sahip olduğu bilinen bir trisiklik karbazol ilaç adayı olan Curaxin’i tanımladılar. Şimdiye kadar bu yaklaşımı, Z-DNA bağlayıcı proteini eksprese ettiği bilinen kanserle ilişkili fibroblastlar (CAFs) adı verilen melanom hücrelerinin bir alt kümesiyle test ettiler. Bu hücreler genellikle hastanın kendi bağışıklık sistemini başlatmaya yardımcı olan immünoterapi ilaçlarına dirençlidir ancak Herbert’in yeni Z-indükleyici molekülü ile birlikte verildiğinde, bağışıklık sistemi üzerindeki fren kalkarak kanser hücresi ölümüne yol açar.
Z-nükleik asitleri düzenleyen yolları hedef almak, kanseri tedavi etmenin tamamen yeni bir yoludur. Rehwinkel, “Bu gerçekten heyecan verici bir gelişme” dedi.
Genetik Kararsızlık
Austin’deki Texas Üniversitesi’nden Kanser Araştırmacısı Karen Vasquez, Z-nükleik asitleri farklı bir bakış açısıyla incelemeye başladı. Laboratuvarı, ilk etapta kansere yol açabilecek genetik kararsızlıkları anlamaya odaklanmıştır. Z-DNA parçalarının genellikle replikasyon sonrası baz çifti uyumsuzluklarını düzelten “mismatch onarım” mekanizmaları tarafından tanındığını bulmuştur. Bu durumda, B-DNA ile ters çevrilmiş Z bölgesi arasındaki BZ bağlantısını oluşturan ekstrüde bazları, onarıma ihtiyaç duyan uyumsuz bir döngü olarak tanıyor. Hücrenin onarım mekanizması daha sonra hatayı düzeltmeye çalışır ve sonunda çift sarmal kırılmasına yol açar.
“20,000 farklı insan kanser genomunu inceledik ve biyoinformatik ve algoritma tasarımını kullanarak Z-DNA’nın insan kanser genomlarında mutasyon yoğun bölgelerde yüksek oranda bulunduğunu tespit ettik,” diyor Vasquez. Bu kırıklıklar, genetik istikrarsızlığa yol açarak silinmelere ve translokasyonlara (hatalı onarımdan kaynaklanan, iki farklı kromozomdan gelen DNA’nın birleşmesi) neden oluyor. Bu tür hatalar sonunda kansere yol açabilir.
Vasquez’ın kendisine sorduğu sorulardan biri de bu kanser oluşturan Z-DNA elementlerinin genomda neden – bol miktarda – kaldığı, neden seçilip çıkarılmadığıydı? Vasquez, ‘Eğer sadece sorunlara neden oluyorlarsa neden orada olacaklar?’ diye soruyor. Cevap, evrimi kolaylaştırma yeteneklerinde olabilir. Vasquez, Stanford’dan Gelişim Biyologu David Kingsley’in dikenli balıkların evrimi ile ilgili sonuçlarını açıklaması için kendisine başvurduktan sonra bu faydaların nerede olabileceğini görmeye başladı.
Transkripsiyona Dönüş
40 yıl sonra, Herbert şimdi Z-DNA’yı transkripsiyonla ilişkilendiren Rich’in orijinal fikirlerini hatırlamaya başlıyor. Genomun Z-DNA oluşturan bölgelerine ‘flipon’ adını vermiş ve en son ortak olduğu projede bunların nerede oluştuğunu tahmin etmek için bir yapay zeka modeli kullanmıştır. 290,071 segment keşfetmişler ve bunlar 3,167,809 baz çiftini oluşturmuştur (genomun %0.16’sı). Herbert şimdi flipon’ların gen-promotör bölgelere yakın oluşumlarının aktüatör olarak hareket ettiğini düşünüyor. B’den Z’ye döndüklerinde, transkripsiyon sırasında RNA polimerazlarının çift sarmal DNA’yı açarken ortaya çıkan kimyasal ve potansiyel enerjiyi yakalarlar. Bu enerjiyi daha sonra geri çevirebilirler; Herbert, bunun DNA’nın paketlenmesinde rol oynayan diğer komplekslerin montajını güçlendirmek veya promotör bölgelerini sıfırlayarak bağlı proteinleri kaldırmak ve transkripsiyonun yeniden başlamasına izin vermek için kullanılabileceğini öne sürüyor. Henüz çözülmesi gereken çok şey ve bulunması gereken kanıtlar var ancak sonunda bunun genetik mekanizmamızın yeni bir anlayışına ve çeşitli hastalıklar için yeni terapötik stratejilere yol açacağını düşünüyor.
Z-RNA üzerinde çalışanlar için hala cevaplanmamış bir başka soru ise bunun bağımsız olarak mı yoksa sadece Z-bağlayıcı proteinler tarafından stabilize edildiğinde mi oluştuğudur. Bu ‘tavuk ve yumurta’ sorusu, Houston Üniversitesi’nden RNA uzmanı Quentin Vicens ve Colorado Üniversitesi’nden NMR Kimyageri Beat Vogeli tarafından araştırılmaktadır. Vicens, Z konformunun RNA’da düşündüğümüzden daha yaygın olabileceğine inanıyor. Vicens, ‘Hücrelerimizde bunların uzanımlarını benimseyen birçok RNA olduğuna dair yeterli kanıtımız var,’ diyor. Vogeli ile yapılan NMR çalışması, hatta GC tekrarlarından yoksun olan geniş bir RNA dizisi yelpazesi göstermektedir.
Bir dinamik sürecin resmini çiziyorlar: RNA’nın kısa süreliğine Z konformuna dönüşmesi. Vogeli, NMR kullanarak minör durumları tespit edebilir ve karakteristik spektrumuyla Z-RNA’yı net bir şekilde tanımlayabilir. Vogeli, ‘Şu anda söyleyebileceğimiz şey, normal koşullarda bir Z formunun varlığı söz konusuysa, o zaman bu zamanın %1’inden daha az olacaktır,’ diyor.
Ekip, aynı zamanda Zα domainin Z-RNA’ya nasıl bağlandığını görselleştirmeyi umuyor. Vicens, ‘Henüz (şu ana kadar) bu Z bağlayıcı proteinlerden birinin, biyolojik olarak ilgili bir RNA’ya bağlı bir kompleksin yapısını gören kimse olmadığını söylüyor.
Vasquez ve diğerleri ayrıca Z-nükleik asitleri hücrelerde dinamik bir şekilde tespit etmeye hevesli. ‘Bunu yapmanın yolları üzerinde çalışıyoruz, bir hücrede (doğal olarak gerçekleşen) bu durumu görmek için floresan tabanlı deneylerle,’ diyor. Floresan rezonans enerji transferi (FRET) teknolojisini kullanarak, yalnızca Z-DNA oluştuğunda florasansı söndürecek kadar yakın hareket eden DNA molekülleri üzerindeki konumlara bağlı bir florofor ve söndürücü kullanarak Z-DNA oluşumu izlenenebilir. Vasquez “Şu anda plazmitler üzerinde yapabiliyoruz” dedi ancak ekibi hala genomik DNA üzerinde nasıl yapılacağını çözmeye çalışıyor ve B’den Z’ye veya tam tersine dizileri çevirebilecek küçük moleküllerin yüksek verimli taraması için bu yöntemi kullanmayı umuyor.
Uzun süre ihmal edildikten sonra, Z-nükleik asitlerle ilgili yeni içgörüler hızla ortaya çıkıyor, ancak dikkat çeken tek non-B-DNA nükleik asit yapısı bu değil. Araştırmalar, G-kadroplekslerin – dört sarmallı DNA sekonder yapıları – transkripsiyonel düzenleme ve kanserle ilişkilendirildiğini gösteriyor ve üç sarmallı DNA (aynı zamanda H-DNA veya triplex-DNA olarak bilinir) da gen modülasyonu ile bağlantılı olmuştur. Rehwinkel “Birkaç yıl öncesine kadar Z-nükleik asitlerin biyolojide herhangi bir rol oynayıp oynamadığı tam olarak belli değildi ancak (şimdi) bu oldukça açık hale geldi, aynı şeyin G-kadropleks veya nükleik asitlerin benimseyebileceği diğer sıradışı üç boyutlu yapılar için de geçerli olup olmadığını görmek heyecan verici olacak,” dedi. [1]“More than a mirror-image: left-handed nucleic acids” yazısından çevrilmiştir.[2]Öne çıkan görsel
[cite]
Kaynaklar ve İleri Okuma
| ↑1 | “More than a mirror-image: left-handed nucleic acids” yazısından çevrilmiştir. |
|---|---|
| ↑2 | Öne çıkan görsel |
