DNA onarımı ve Aziz Sancar'ın çalışmaları

Nobel Kimya Ödülü ile Türkiye'ye büyük bir gurur yaşatan Aziz Sancar bilim dünyasında gerçekleştirdiği çalışmalarla geleceğe ışık tutuyor. Söz konusu ödüle DNA onarımı alanındaki araştırmalarıyla layık görülen Sancar'ın bu çalışmalarına daha detaylı bakmakta fayda var.

DNA onarımı ve Aziz Sancar'ın çalışmaları

DNA onarımı alanında yürüttüğü çalışmalarla 2015'te Tomas Lindahl ve Paul Modrich ile birlikte Nobel Kimya Ödülü'ne layık görülen Türk Profesör Aziz Sancar, söz konusu araştırmalar neticesinde morötesi ışınların DNA'ya verdiği hasarı ve vücudun bu hasarı tamir sürecini haritalandırdı. Bu gözlem sayesinde özellikle kanserli hücrelerin daha kolay yok edilmesine olanak sağlanabilecek bir zemin hazırlanıyor. Sancar ve diğer bilim insanlarının bu alandaki çalışmalarına daha detaylı baktığımızda söz konusu araştırmaların insanlığın geleceği için ne kadar önemli olduğunu daha net kavrayabiliyoruz.

DNA NEDİR?

Deoksiribo Nükleik Asit (DNA), tüm organizmaların biyolojik gelişimleri için gerekli olan genetik talimatları taşıyan bir nükleit asit olarak biliniyor. Özetle DNA genetik kodların saklandığı uzun süreli bir kayıt ortamı rolünde varlığını sürdürüyor. Ribo Nükleik Asit (RNA) ve protesin hücrelerinin diğer bileşenlerinin inşası için gerekli verileri de içeren DNA ayrıca bir reçeteye benzetiliyor. Bu genetik verileri içeren her bir DNA parçası gen olarak adlandırılır. Bununla birlikte DNA dizilerinin kromozomların şeklini belirlemek ve genetik bilgilerin hangi hücre ile şartlarda kullanılacağını düzenlemek gibi işlevleri bulunur. Kimyasal açıdan ise DNA, nükleotit adıyla bilinen basit birimlerin ortaya çıkardığı iki uzun polimerden oluşuyor. Bu polimerlerin omurgaları, ester bağlar ile birbirine bağlanmış şeker ve fosfat oluşumlarından meydana geliyor. Söz konusu iplikler birbirlerinin tersine yönde uzanır ve her gruba baz adı verilen dört tip molekülden biri bağlanır. DNA'nın omurgası boyunca adı geçen bazların oluşturduğu dizi genetik verileri kodlar. Protein sentezi sırasında da bu veri genetik kod aracılığı ile proteinlerin amino asit dizilerini belirler. DNA'daki veri, DNA'ya yakın yapıya sahip bir diğer nükleik asit RNA'ya kopyalanır ve adı geçen eyleme transkripsiyon denir. DNA, hücreler içerisinde kromozon adı verilen yapılar için bulunur. Hücre bölünmesinden öne söz konusu kromozomlar eşlenir ve DNA ikileşmesi ortaya çıkar. Promozomlardaki kromatin proteinleri DNA'da sıkıştırmalar yaparak DNA'nın organize olmasını sağlar. Oluşan sıkışık yapılar DNA ile birlikte diğer proteinler arasındaki etkileşimleri düzenler ve DNA'ya dair hangi verilerin okunacağını kontrol eder.

DNA HASARI VE ONARIMI

Canlıların genetik kodlarının yer aldığı DNA, hasarlanan hücreler ve kanser gibi hastalıklar doğrultusunda zarar görebiliyor. DNA tamir mekanizmalarına ilişkin çalışmalar yürüten bilim insanları, DNA moleküllerindeki hataları ve hasarları tanımlamak için DNA onarımı terimini kullanıyor. DNA molekülü, doğal ya da çevresel faktörlerin etkisiyle hasara uğrayabiliyor. İnsan hücrelerinde söz konusu faktörlere bağlı olarak günde 1 milyona yakın hücrenin zarar görmesi olası gösteriliyor. Söz konusu etkenler çerçevesinde DNA'nın yapısı ve sonraki nesillere aktarılan genetik veriler değişebiliyor. Bazı gelişmelerde adı geçen değişimler canlılara yarar sağlarken, bir diğer açıdan ölümcül sonuçlara neden olabilecek zararlı ortamlar da ortaya çıkarabiliyor. Bu nedenle bütün canlı hücreleri, gelişim süreçleri boyunca nesillere değişmeden aktarılması gereken DNA moleküllerini koruma mekanizmaları geliştirir. Oluşan küçük hasarlar çoğunlukla DNA onarım sistemleri tarafından tamir edilir. İleri düzeyli hasarlarda apoptozis uyarılarak hücre ölümü gerçekleşir ve organizma kendini korur. Orta dereceli hasarlarda ise mutasyonlar görülür. Hücre tüm bu DNA hasarlarına farklı metabolik yollarla cevap verir. Ağır DNA hasarları hücrenin apoptozis yolunu aktive ederek hücrenin ölümüne neden olur. DNA hasarı ikileşme sırasında tamir edilemezse mutasyona neden olur. Ortaya çıkan genomik kararsızlık sonucu kanser ve yaşlanma meydana gelir. DNA tamir sisteminde 100'den fazla gen işlev görür, bu genlerin kodladığı proteinler tamir mekanizmalarına yardımcı olur. Her insan hücresinin DNA'sında günlük ortalama 104 adet kodlanmayan ya da kodlamaya neden olan hasar oluşur. Mitokondrial DNA'da ise nokta mutasyon birikimlerinin yaşa bağlı olarak arttığı gözlemleniyor. Bu bağlamda bilim insanları özellikle mitokondrideki oksidalif DNA hasarlarının yaşlanmaya bağlı olduğunu ifade ediyor.

DNA TAMİR MEKANİZMALARI

Genomik kararlılığın devamını sağlayan sistemelerin bütünü DNA tamir mekanizmaları olarak adlandırılır. Bu sistemler, Direkt Tamir Mekanizmaları, Ekzisyon, Rekombinasyonal Tamir, SOS Tamiri, Çift Zincir Kırıkları Tamiri olarak 4 ayrı grup halinde incelenir. Her grup içerisinde farklı birimler bulunur ve bu birimler DNA onarımında önemli rol oynar.

- Direkt Tamir Mekanizması

Fotoreaktivasyon: Ultraviyole yani morötesi ışınlar ile meydana gelen mutasyonları içeren hücreler, mavi spektrum içeren görünür ışığa maruz kaldıklarında geri dönüşüme neden olarak dönüşür. Bu olay fotoreaktivasyon olarak adlandırılır. Gelişim sürecinde bu sistem korunur. Işık ve iki kromoforu sayesinde DNA Fotoliaz enzimi aktiva olur ve dönüşüm gerçekleştirir. Böylece onarıma yardımcı olur.

O6-Metiguanin: Bu terim alkilleyici ajanlarla oluşur ve yüksek oranda mutajenik bir yapıdadır. O6-Metilguanin-DNA metil transferaz enzimi, DNA'daki yanlış metillenen bazların CH3 gruplarını kendi sistein rezidülerine trasfer ederek normal Guanin oluşmasına imkan verir. Söz konusu eylem sırasında enzim de geri dönüşümsüz olarka baskılanır ve işlev dışı bir hal alır. Bu nedenle onarımda enzimi özgünlüğü ve sayısı önem kazanır.

Basit Tek Zincir Kırıklarının Ligasyonu: X ışınları veya peroksitlere benzer ajanlar DNA zincirinde basit kırıklara neden olabilir. Bir zincirde oluşan söz konusu kırıklar DNA ligaz enzimi ile süratle tamir edilebilir. DNA ligaz, enerji gerektiren reaksyonlar ile 5' fosfat ile 3'OH grupları arasındaki fosfodiester bağları oluşturur.

- Ekzisyon

Kesip-Çıkarma Tamirleri olarak da adlandırılan sistem tüm prokaryot ve ökaryot organizmalarda bulunuyor. Ekzisyon tamir sistemi 3 temel basamak içerir. Bu kapsamda, ilk olarak hasar ya da hata tanınır ve enzimatik olarak nükleaz tarafından kesip çıkarılır. İkinci basamakta DNA polimeraz oluşan boşlukları doldurur. Son basamakta ise DNA ligaz son bağının oluşumuyla boşluklar kapatılır.

Baz Ekzisyon Tamiri (BER): BER, DNA bazlarının doğal hidrolizi ya da kimyasal ajanlar aracılığıyla ortaya çıkan ve uygun olmayan bazların tamiri ile ilgili bir terimdir. Bu tamir sisteminde görev alan enzim DNA glikozilazlarıdır. Spontan veya kimyasallarla olan deaminasyon ya da iyonize radyasyon ile oksidatif hasar sonucu oluşan baz değişikliklerine spesifik bir yapı kazandırır. Bu süreçte DNA glikozilaz, uygun olmayan bazı tanır. Deoksiriboz şeker ve baz arasındaki N-glikozidik bağın hidrolizi ile uzaklaştırılır. Lezyona spesifik glikozilaz enzim formu devreye girer. Apirimidinik veya apürinik olarak adlandırılan abazik AP bölge oluşur. AP bölgesi spesifik AP endonükleaz enzimleri tanımlar ve bu zincirde bir çentik açar. Ekzonükleaz enzimi şeker ve fosfatı ayrıştırır. Ortaya çıkan boşluk DNA polimeraz ile doldurulur ve ligaz ile fosfodiester bağlantı sağladır.

Nükleotid Eksizyon Tamiri (NER): DNA yapısında geniş bozulmalara sebep olan lezyonlar NER sistemi yardımı ile onarılır. NER sistemi içerisinde yer alan, Nükleotid Eksizyon Tamir Genleri, Nükleotid Eksizyon Tamir Mekanizması ve Transkripsiyona Kenetlenmiş Tamir Mekanizması alt birim olarak incelenir. Ultraviyole kaynaklı pirimidin dimerleri, sigara nedenli benzopiren-guanin gibi bazı değişimleri, kemoterapötik ilaçlarla oluşan baz değişimleri BER'de tek olarak kesip çıkarılırken, NER sisteminde söz konusu hasarlı bazlar oligonükleotid parçalar halinde kesip çıkarılır. Prokaryotlarda mevcut anahtar enzimatik kompleksler ABC ekzinükleazları olarak öne çıkar. Bu ekzinükleazlar, uvr A, uvr B, uvr C olarak 3 altünitede incelenir. Adı geçen sistemde, uvr A - uvr B kompleksi DNA'yı tarar ve hasar bulunan bölgeye bağlanır. uvr A ayrılır, uvr C - uvr B kompleksi oluşur. uvr C, hasarın 3' ucuna 4-5 nükleotid, 5' ucuna 8 nükleotid uzaktan çentikler meydana getirir. DNA helikaz (uvr D) bu 12-13 nükleotidlik parçası uzaklaştırılır. İnsanda NER mekanizması çok daha karmakaşık bir şekilde yer edinir. Ekzinükleaz aktivitesi birçok gen tarafından kodlanan proteinler tarafından gerçekleştirilir. DNA'daki hasar XPA proteiniyle tanınırken diğer proteinlerin bu bölgeye aktarımı sağlanır. Transkripsiyon faktörü II H (TFII)'nin alt yapıları XPB ve XPD'nin helikaz aktiviteleri ile DNA zincirinde 20 nükleotidlik bir bölge oluşturulur. XPG proteini 3' uç alanında hasardan 6 nükleotid uzaktan, XPF/ERCC1 protein kompleksi ise 5' uç bölgesinde hasardan 22 nükleotid uzaktan DNA zincirini keser. Serbest kalan 27-29 nükleotidlik parça bu sayede uzaklaştırılmış olur. Ayrıca NER mekanizmasındaki proteinlerde yaşanan bozukluklar sonucunda nadir görülen bazı hastalıklar ortaya çıkabilir. Bunlar, Xeroderma Pigmentosum, Cockayne Sendromu, Trikotiyodistrofi'dir.

Yanlış Eşleşme Eksizyon Tamiri (MER): DNA polimeraz, replikasyon sırasında prova okuması yeteğini taşır. Mismatch eksizyon tamiri ise hata okuma sonrası kalan yanlış eşleşmelerin tamir edildiği mekanizma olarak bilinir. Prokaryotlarda MutS yanlış eşleşmeyi algılar ve bölgeye bağlanır. MutL'nin bağlanması ile kompleks kararlılık edinir. MutS-MutL kompleksi MutH'yi aktive ederken, MutH bölgedeki metil grubu ekler ve karşı zincirde kesik oluşturur. Bu süreçte UvrD proteini de kesip-çıkarma işleminde yer alır. Aynı zamanda DNA pol boşlukları kapatırken, DNA ligaz da bu birikintileri yapıştırır.

- Rekombinasyonal Tamir

DNA hasarları diğer tamir sistemleri ile tamir edilememişse, replikasyondan sonra aktif olan mekanizma olarak öne çıkıyor. Bir lezyon bulunduran DNA replike olurken, DNA polimeraz önce lezyonda duraklar. Bu esnada hasarlı bölgeyi içine alan bir bölümde boşluk bırakarak senteze devam eder. Rec A proteini, rekombinasyonal bir değiş tokuş işlemi ile hasarsız komplementer zincirde bulunan sekansı transfer ediyor. Komplementer zincirde oluşan boşluk DNA polimeraz ve DNA ligaz enzimleri sayesinde dolduruluyor. Bununla birlikte mevcut lezon yidğer tamir sistemleri ile onarılır.

- SOS tamiri

SOS sistemi, DNA hasarının ileri düzeyde olduğu ve diğer tamir mekanizmalarının başarısız bulunduğu durumlarda devreye giren acil cevap aracıdır. Sistem, DNA sentezi esnasında bir lezyonun üzerinden atlamak yerine, DNA polimerazının lezyon karşısındaki replikasyonunu devam ettirmesini sağlar. Ancak bu replikasyonun doğruluğu konusunda şüphe oluşur ve bu sebeple hataya meyilli sistem olarak da anılır. SOS cevabında görev alan birçok proteini kodlayan genler normalde Lex A proteini tarafından baskılanır. DNA hasarıyla karşılaşıldığı zaman, Rec A proteini hasarlı tek zincire bağlanır ve Rec A-ssDNA kompleksi oluşur. Rec A, DNA'ya bağlandıktan sonra Lex A proteininin otoproteolitik yıkımı aktive olur. Devamında Rec A, DNA polimeraza bağlandığında lezyonu geçerek DNA'yı replike eder.

- Çift Zincir Kırıklarının Tamiri

İyonize radyasyon ile doğal ya da oksidatif hasar sonucu oluşan DNA çift kırıkları NHEJ veya Homolog Rekombinasyon şeklinde gelişen iki yol ile tamir edilir.

Serbest Uçların Homolog Olmayan Bağlanması (NHEJ): Bu sistemde Ku 70-Ku 80 kompleksleri DNA kırık uçlarına bağlıdır. Serbest iki DNA ucu tamir edilene kadar bir arada tutulur. DNA bağımlı protein kinaz aktive olarak diğer proteinlerin hasar bölgesine gelmelerini sağlar. Bu protein komplekslerinin formasyonu DNA ligaz IV-XRCC4 kompleksinin kırık uçlarının bağlanmasını sağlar. NHEJ tamir sistemi yolunda hataların çeşitli kanser ile ilişkili translokasyonlara neden olduğu gösterilir. Burkitt lenfoma, kronik myeloid lösemideki Philadelphia kromozomu söz konusu hatalar sonucu ortaya çıkar. Homolog rekombinasyonda görev alan BRCA 1 ile BRCA2 genlerinde olan mutasyonlar da meme ve rahim kanserleri arasında ilişki daha önce tespit edilmiştir. NHEJ sistemi hızlı ve hataya meyillidir.

Homolog Rekombinasyon: RAD ve BRCA genleri tarafından yönlendirilen bu sistem, MRE11-RAD50-NBS1 kompleksinin nükleaz aktivitesi ile kırık uçları degredasyona uğratır. RAD 52 proteini 3' uçlara bağlanır ve RAD 51-BRCA 2 kompleksi, rekombinasyon oluşturarak kardeş kromatid zincirinin hasarlı bölgesinin invazyonunu sağlar. Bu zincirde kalıp olarak sentez yapılır ve hasar onarılır.

AZİZ SANCAR VE ÇALIŞMALARININ ÖNEMİ

Tüm bu bilgiler ışığında Türk bilim insanı Aziz Sancar'ın çalışmalarının önemi bir kez daha ortaya çıkıyor. Bu kapsamda hücrelerin hasarlı DNA'yı tamir ederek genetik bilgiyi nasıl koruduklarını moleküler düzeyde haritalayan çalışmalarıyla Profesör Aziz Sancar, Profesör Thomas Lindhal ve Profesör Paul Modrich, 2015 Nobel Kimya Ödülü'ne layık görüldü. Sancar ve diğer bilim insanları, DNA onarımı mekanizmaları alanında yapılan araştırmalar doğrultusunda kanser hastalığının patolojisinin daha iyi anlaşılması ve yeni tedaviler geliştirilmesine imkan sağlayan bir zemin hazırladı. Aileden gelen genler ya da hayat boyunca ortaya olumsuzluklar doğrultusunda gerçekleşen gen değişiklikleri kanser hücrelerinin gelişimine neden olabiliyor. Bu süreçte DNA'nın onarım mekanizmasını moleküler seviyede haritalandırmayı başaran bilim insanları sistematik çalışmalar sayesinde, yaşayan hücrelerin fonksiyonlarının nasıl sürdüğünü, kalıtsal pek çok hastalığın söz konusu moleküler seviyedeki nedeni, kanser gelişimi ve yaşlanmanın mekanizmaları gibi birçok alanda kesin sonuçlara dayalı veriler elde etti. Sancar, Modrich ve Lindahl, bu süreçte birbirinden bağımsız olarak insanlarla alakalı pek çok DNA onarım aşamasını haritalandırmayı başardı. Sancar'ın çalışmasında odak nokta DNA'nın yapıtaşı nükleotidlerdi. Sancar'ın gözlemiyle ortaya çıkan süreçte enzimler hasarlı bölgeyi tespit ederek çıkarıyor. Daha sonra çıkarılan yer dolduruluyor ve hasar tamir ediliyor. Bu işlemde hücre üç enzimi kullanıyor. Çıkarma Yoluyla Nükleotid Tamiri olarak adlandırılan bu sistem, Sancar'ın kendi söylemi ile "en büyük memnuniyeti ve nadiren bulunan sükuneti hissettiren" bir buluş niteliğinde. Söz konusu onarım mekanizması 1960'lı yıllarda tespit edilmesine karşın detaylarına dair bir veri sağlanamamıştı. Araştırmalarına önce bakteriler ile başlayan Sancar, adı geçen enzimin bakteri DNA'sındaki hasarlı nükleotidleri çıkardığı süreçte bu nükleotidlerin çevresindeki 12 nükleotidi de kesip attığını keşfetti. Sancar, söz konusu onarım mekanizmasının insanlar üzerinde daha karmaşık olduğunu ifade ederken, geliştirdiği bir yöntem ile, insanlarda DNA'daki hasarlı nükleotidlerin çevresinde bulunan 27 nükleotidin nasıl kesilip atıldığını ve doğru nükleotidlerin mevcut boşluğu nasıl doldurduğunu gözlemledi. Bununla birlikte mekanizma 16 gen tarafından sentezlenen 16 protein ile işleniyordu. Sancar, çalışmaları neticesinde kendisine Nobel'i getiren insan genomundaki DNA onarım genlerinin bütün bir haritasını yayınladı.

AZİZ SANCAR KİMDİR?

Aziz Sancar, 1946 yılında Mardin'in Savur ilçesinde çiftçi bir ailenin sekiz çocuğundan yedincisi olarak doğdu. İlk ve orta öğrenimini Mardin'de tamamlayan Sancar, lise dönemlerinde futbolla ilgilendi. Daha sonra futbolculuk hayallerini rafa kaldıran Sancar, yüksek öğrenim için İstanbul'a gitti. 1963 senesinde girdiği İstanbul Üniversitesi Tıp Fakültesi'nden 1969 yılında birincilikle mezun oldu. İki yıl Savur'da bir sağlık ocağında hekimlik yaptı. Daha sonra NATO-TÜBİTAK bursu ile önce ABD'nin Maryland eyaletindeki John Hopkins Üniversitesi, ardından Dallas Teksas Üniversitesi'nde gitti. Dallas'ta üniversitenin moleküler biyoloji programı ve laboratuvarına katıldı. Burada fotoliyaz olarak adlandırılan bir geni klonlamış ve genetik mühendisliği ile bakterilerde çok yüksek oranda çoğaltmayı başardı. Bu buluş Sancar'ın önce yüksek lisans ve ardından doktora derecesi almasını sağladı. 1977-82 yıllarında Yale Üniversitesi Tıp Fakültesi'nde çalışmalar yürüten Sancar, bu dönemde fotoliyaz enzimi çalışmalarına ara verip nükleotid kesim onarımını araştırmaya başladı. Aynı süreçte DNA onarımı dalında doçentlik tezini tamamladı. 1997 yılında girdiği Kuzey Carolina Üniversitesi'nde çalışmalarını sürdürdü. DNA onarımı, hücre dizilimi, kanser tedavisi ve biyolojik saat üzerinde çalışmalar gerçekleştiren Sancar, 415 bilimsel makale ve 33 kitap yayınladı. Sancar, kanser tedavisinde sirkadiyen saat kullanımı alanında ödüller aldı. 2001 yılında Amerikan Kimya Cemiyeti tarafından Kuzey Carolina Seçkin Kimyager Ödülü'ne layık görüldü. 2005 yılında bilim dünyasının en prestijli üyelikleri arasında bulunan ABD Ulusal Bilimler Akademisi'ne seçildi ve bu akademiye seçilen ilk Türk oldu. Daha sonra ABD'de eğitim gören Türk öğrencilere destek sağlamak ve Türk-Amerikan ilişkilerini geliştirmek amacıyla eşi ile birlikte Aziz & Gwen Sancar Vakfı'nı kurdu. Ayrıca Carolina Türk Evi adında bir öğrenci misafirhanesi açtı. 2006 yılında Türkiye Bilimler Akademisi asli üyesi olarak seçildi. Sancar, DNA onarımına ilişkin çalışmalarından dolayı ABD'li Profesör Paul Modrich ve İsveçli Profesör Tomas Lindahl ile birlikte 2015'te Nobel Kimya Ödülü'ne layık görüldü. Sancar, "Beni ödüle götüren Mustafa Kemal Atatürk ve Türkiye Cumhuriyeti'nin yaptığı eğitim devrimidir. Dolayısıyla bu ödülün sahibi Atatürk ve Türkiye Cumhuriyeti'ni temsil eden Anıtkabir Müzesi'dir" diyerek, Nobel Ödülü, madalyası ve sertifikasını Anıtkabir'e teslim etti. Sancar'ın ödülü, Anıtkabir'deki Atatürk ve Kurtuluş Savaşı Müzesi'nde kendisine ayrılan özel bölümde sergileniyor.