Hücre Çekirdeğinin Mimarisi Bitkilerdeki Gen Aktivitesini Nasıl Değiştirebilir?
Bitki çekirdeğine keşfedilen şeklini veren genler de bakır toleransını düzenler. Tokyo Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, hücre çekirdeği mimarisinin bitkilerdeki gen aktivitesini nasıl değiştirebileceğini belirlediler.
Bu keşif, genom düzenlemesi hakkında temel bilgileri ortaya çıkarır ve aynı anda birçok genin ifadesini potansiyel olarak manipüle etmek için gelecekteki yöntemlere işaret eder.
Gen ekspresyonunu açmak veya kapatmak için gereken uzun DNA iplikleri ve protein mekanizması, hücrelerin çekirdeklerinde yüzer halde bulunur.
Çekirdek, esas olarak, çekirdek tabakası adı verilen iç, ince ağ protein çerçevesi tarafından desteklenen esnek, çift zarlı bir zarftan yapılmış bir çuvaldır.
“DNA, çekirdek içinde amaçsızca sürüklenmez. Yakın zamanda Nature Communications’da yayınlanan Tokyo Üniversitesi Frontier Sciences Üniversitesi’nden araştırma projesini yöneten Profesör Sachihiro Matsunaga, “Nükleer tabakanın etrafında genlerin rastgele olmayan uzamsal konumlanmasını bekliyoruz,” dedi.
Gen regülasyonu genellikle DNA dizisini okumanın tek boyutlu seviyesinde incelenir. Ek gen düzenleme katmanları, DNA zincirinin şeklini değiştirerek 3 boyutlu olarak bulunur.
Örnekler arasında, DNA ipliklerinin ne kadar sıkı sarılacağını belirleyen epigenetik kod ve DNA zincirinin uzak bölümlerinin birbirine katlandığı ve birbirine dokunan genlerin aktivitesini değiştirdiği “öpüşen genler” fenomeni yer alır.
Bu yeni sonuçlar, yalnızca genomun mimarisini değil, aynı zamanda kabının, çekirdeğin mimarisini de içeren başka bir 3B gen düzenleme yöntemi için kanıt sağlıyor.
Bilimsel topluluk, çekirdeğin şeklinin ve boyutunun bir hücrenin yaşamı boyunca önemli ölçüde dalgalanabileceğini ve bu değişikliklerin bir hücrenin yaşını belirlemek için bir “iç saat” olarak zamanlanabileceğini uzun zamandır biliyor.
Bununla birlikte, bu keşifler hayvan hücreleri kullanılarak yapılmıştır. Bitkiler, hayvanlarda çekirdek tabakasından sorumlu genlerle evrimsel olarak ilişkili herhangi bir gene sahip değildir.
Matsunaga, “Ders kitaplarında genellikle hayvan lamina hakkında birkaç cümle bulunur, ancak bitki lamina hakkında söylenecek hiçbir şey yoktur” dedi.
Araştırma ekibinin bazı üyeleri tarafından 2013 yılında yapılan önceki çalışmalar , bitki nükleer laminasının en olası bileşenleri olarak CROWDED NUCLEI (CRWN) olarak bilinen dört proteinden oluşan bir grup tanımladı.
Laminada CRWN proteinlerinin varlığını doğrulamak için, araştırmacılar önce proteinlere floresan etiketleri taktılar ve araştırma laboratuvarlarında yaygın olarak kullanılan yol kenarı otu olan genç thale tere bitkilerinden elde edilen kök hücrelerinden izole çekirdekleri çıkarıldı. Sonra proteinlerin konumunu ultra yüksek çözünürlüklü mikroskopi görüntülerinde ölçtüler.
Bu son derece yakınlaştırılmış görüntüler, çekirdeğin kabuğu etrafında CRWN proteinleri tarafından oluşturulan ağ benzeri desenleri gösterir.
Sağlıklı bitki hücreleri, hücrenin merkezinde büyük bir yumurtaya benzeyen oval şekilli bir çekirdeğe sahiptir. CRWN proteinlerinden yoksun olacak şekilde genetik olarak değiştirilen bitkiler, normalden daha küçük ve daha yuvarlak olan çekirdeklere sahiptir ve muhtemelen içindeki DNA için daha kalabalık bir ortam oluşturur.
Araştırmacılar daha sonra, başka genlerin, crwn genleri inhibe edildiğinde farklı aktivite seviyelerine sahip olup olmadığını görmek için genetiği değiştirilmiş bitkileri taradılar. Bakıra yanıt vermede rol oynadığı bilinen çoklu genler daha az aktifti, bu da bir şekilde nükleer laminanın bakır toleransına bağlı olduğunu gösteriyor.
CRWN proteinlerinden yoksun bitkiler, normal toprakta bile sağlıklı bitkilerden daha kısa büyürler. Yüksek bakır seviyelerine sahip toprağa ekilen inaktif crwn genlerine sahip Thale tere, önemli ölçüde daha zayıf bir görünümle daha da küçüldü; nükleer laminanın bitkilerin çevresel strese tepkisinde bir rolü olduğuna dair daha fazla kanıt.
Araştırmacılar ayrıca, hem normal hem de yüksek bakır seviyelerinin çekirdeği içindeki bakır tolerans genlerinin fiziksel konumunu görselleştirdiler.
Yüksek bakır koşuluna sahip sağlıklı bitkilerde, bakır tolerans genleri bir araya toplandı ve çekirdeğin çevresine daha da yaklaştı. Bakır tolerans genleri, inaktif crwn genleri olan bitkilerde çekirdeklerin etrafında yayılıyor ve sürükleniyordu.
Bitki çekirdeği, DNA’nın aktif transkripsiyonu için farklı bölgelere sahipse, bu bölgelerin nükleer tabakaya yakın olması muhtemeldir. Bu önemli ve ilginç çünkü çekirdeklerin merkezinde aktif bölgelere sahip olduğunu bildiğimiz ve çevre hareketsiz olduğu için, ”dedi Matsunaga.
Gen aktivitesini artırmaya veya azaltmaya yönelik çoğu gen düzenleme teknolojisi, doğrudan tek tek genin DNA dizisini değiştirmenin tek boyutlu seviyesinde çalışır.
Çekirdek tabakasının gen ekspresyonunu nasıl etkilediğini anlamak, genomu ve çekirdek tabakasını yeniden şekillendirerek aynı anda birçok genin aktivitesini değiştirmek için gelecekteki yöntemleri ortaya çıkarabilir.
Referans: Yuki Sakamoto, Mayuko Sato, Yoshikatsu Sato, Akihito Harada, Takamasa Suzuki, Chieko Goto, Kentaro Tamura, Kiminori Toyooka, Hiroshi Kimura, Yasuyuki Ohkawa, Ikuko Hara-Nishimura, Shingo tarafından yazılan “Lamina ilişkisi yoluyla altnükleer gen konumlandırması bakır toleransını etkiler” Takagi, Sachihiro Matsunaga, 24 Kasım 2020, Nature Communications.