Resim: fr73 / iStockphoto iznyle

Genetik

planımızın

ortaya çıkarılması DNA’mızın önemli bir

kısmı ne işe yarar?

Diğer birçok durumun yanında,

önemli hastalıkların anahtarını elinde

tutabilen "işe yaramaz" veya “çöp DNA”

olarak bilinen bu dizileri incelemek

için yüzlerce bilim adamı

yıllarını harcadı.

yonunun olmadığı düşünülüyor

ve buna işe yaramayan (çöp)

DNA deniliyordu.

Louisa Wood Avrupa Biyoenformatik Enstitüsü

(Türkçe çevirisi)

Tuğçe Kaymaz, Hikmet Geçkil İnönü Üniversitesi

Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü

İnsan genom dizilimi olan İnsan

Genom Projesi son on yıların en büyük

başarısı oldu. İnsan genetik planını

(DNA parmak izini) oluşturan üç

milyar bazın tümünü açığa çıkardı.

Fakat hikaye burada son bulmuyor.

Bu dizilerin hüclerimizce nasıl

yorumlandığının anlaşılması genom-

un nasıl iş yaptığını anlamada

önemlidir. Böylece, daha sonra

biyomedikal araştırma ve sağlık

alanında bu bilgiye başvurabileceğiz.

İnsan genomunun en çok şaşırtan taraf-

larından biri, genomun sadece %2’sinin

proteinleri yapmak için gerekli talimat-

ları bulunduran genleri içeriyor

olmasıydı. Genomun kodlanmayan bazı

RNA’ları (örneğin genlerin aktivitesi-

nden sorumlu olanlar ve ön mesajcı

RNA’nın olgun mRNA’ya translasyonu-

ndan önce kesilip çıkarılan intron adı

verilen diziler) istisna kabul edilirse,

genomun geri kalanının biyolojik fonksi-

Dizinin ötesine geçme İnsan genom diziliminin yapıldığı

zamanlarda, bu dizilerin gerçekten

işe yaramaz olup olmadığını

bulmanın tam zamanıydı. İnsan

genomunun fonksiyonel fakat

kodlanmayan elementlerini karak-

terize etmek için 2003’te ENCODE

20

Şekil 1. İnsan Genom Projesinin

insan DNA dizisinin tümünü

belirlemek için kullandığı

otomatik DNA dizilim makinesi

çıktısından bir örnek. Her bir

tepe belirli bir bazın varlığını

gösteriyor. İnsan Genom Projesi

ile genomumuzu oluşturan 3

milyar harf belirlendi. ENCODE

şimdi genomun nasıl çalıştığının

ayrıntılarını ortaya koyuyor.

Resim: Genome Research

Limited

.

Imageco

urtesyo

fGen

om

eResea

rchL

imited

| Science in School | Sayı 26 : Bahar 2013 www.scienceinschool.org

İleri bilim

konsorsiyumu oluşturuldu. Konsorsi-

yum, Amerika’daki Ulusal İnsan Genom

Araştırma Enstütüsü tarafından destek-

lendi ve Birleşik Kralık’daki Avrupa

Biyoenformatik Enstütüsü tarafından

yönetildi. ENCODE deneme aşaması

2003-2007 yılları arasında işledi ve

genomun %1’lik kısmındaki aktif

bölgelerin belirlenmesinde (aslında bazı

işe yaramayan genomik bölgelerin

gözden geçirilmesinde) küresel bir

araştırmacı ağı oluşturarak deneysel ve

hesaplama yöntemlerini karşılaştırarak

ve en uygun şekilde kullanmayı

hedefledi.

Haziran 2007’de çıkarılan ENCODE

Projesi Konsorsiyumunun,

başlangıcındaki sonuçlar, genomun ne

yaptığı hakkında göz alıcı yeni sonuçlar

ortaya koydu. Bir araya geririlen

mikroarray (mikrodizin) verilerini

(Koutsos et al., 2009) ve dizilim

deneyleri, transkripsiyonel olarak sessiz

oldukları düşünülen bölgeleri de içeren

genomun büyük bir bölümünün

transkribe olduğu gösterildi (Şekil 2).

Henüz çoğu transkriptin biyolojik

görevi bilinmemesine rağmen,

bazılarının gen ekspresyonu için önemli

düzenleyiciler olduğu gösterildi. Genel

olarak bu durum; genler, genlerin

aktivitesini düzenlemede rol alan

bölgeler ve diğer DNA dizileri

arasındaki etkileşimin düşünülenden

çok daha karmaşık olduğunu gösterdi.

Resim: Ian Dunham izniyle

Bioyloji

Genetik

İnsan Genom Projesi

Biyoenformatik

Yaş 14+

Bu makale insan genetiğinin en son gelişmelerinden biri olan ENCODE

projesine ve proje araştırmasının nasıl uygulandığına ışık tutuyor. Öğrenciler

genetik kodla tanıştıkları zaman insan DNA’sının gerçekte sadece %2’sinin

proteinleri kodladığı, geri kalanının ise sözde işe yaramaz olduğu gerçeğiyle

şaşkına dönüyorlar. ENCODE projesi bu kodlanmayan DNA’nın

fonksiyonunu araştırdı ve nihayet onun gerçekte işe yaramaz olmadığını

buldu.

İnsan Genom Projesi tartışılırken siz de ENCODE’u tanıtabilirsiniz.

Öğrencilere gen düzenlemesi, genetik hastalıklar ve onların tedavileri ve

genetik araştırmada kullanılan teknikler hakkında ön bilgi vermek faydalı

olabilir. Makale, öğrenciler arasında biyoenfomatiğe olan ilgiyi tetikleyebilir

ve onları ENCODE projesi hakkında bir çalışma yapmaya

cesaretlendirebilirsiniz.

Namrata Garware, Hindistan

GÖ

RÜ

Ş

Veriler, genomun bir amaç için

kullanılmayan bölgelerinin düşünü-

lenden daha az olduğunu ve birçok

formda aktif elementler içerdiğini

ortaya koydu.

Yaklaşımlarını başarılı bir şekilde test

ettikten sonra, ENCODE araştırmacıları

insan genomunun tümünü incelemeye

başladılar. Bu çalışma, DNA dizilim

teknolojisindeki gelişmeler ve daha

keskin biyokimyasal örneklerin

bulun-masıyla daha kolay oldu.

Araştırmacıların analizleri, genomun

özelliklerini sistematik fiziksel

manzarayı (ormanlar, nehirler ve

Açık kromatin Transkripsiyon faktörleri

RNA

polimeraz

Transkript

Nükleozomlar

DNase -seq ChIP-seq

Kompütasyonal

Tahminler ve

RT-PCR

RNA -seq

Gen

Uzun-mesafe düzenleyici elementler (enhansırlar, represörler /

susturucular, yalıtıcılar)

Kısa-mesafe düzenleyici elementler (promotorlar, transkripsiyon faktörleri bağlanma bölgeleri)

Transkript

Şekil 2. Genom paketinin açılması:

kromozomdan çift zincirli DNA’ya kadar

yakınlaştırma. Bu şekil, genomun biyolojik olarak fonksiyonel bölgelerini

belirlemek için ENCODE araştırmacıları

tarafından kullanılan bazı yöntemleri örnekliyor: transkript dizilimini (RNA

dizilimi ve RT-PCR) transkribe olmuş

bölgeleri belirlemek için, kromatin immünopresipitasyon dizilimini (ChIP

dizilimi; transkripsiyonun kontrolünde

gereken proteinler tarafından sınırlan-dırılan bölgeleri belirlemek için), DNaz

sindirimi (DNaz dizilimindeki açık

kromatini belirlemek için), hesaplama tahminlerini, genleri bulmak ve yüksek

korunumlu bölgelerin belirlenmesi için)

ve ekspresyon bilgilendirme tahlilleri (örneğin promotör aktivitesini test etmek

için; şekilde gösterilmemiş).

Resim: Darryl Leja’nın izniyle

Science in School | Sayı 26 : Bahar 2013 | 21 www.scienceinschool.org

Veri seli Eylül 2012’de Birleşik Kralık, Amerika,

İspanya, Singapur ve Japonya’daki 32

araştırma enstütüsünden 442 araştır-

macının analiz ve deneylerinden 5 yıl

sonra ENCODE projesi tüm genomun

en detaylı analizinin sonuçlarının açık-

lanması için duyuru yaptı. Bu çalışma

15 terabaytlık (15x1012 bayt) verilerin

tümünün halkın da ulaşabileceği şekil-

de analizini yapmak için bilgisayar

çağının yaklaşık 300 yılını harcadı.

Eğer veriler cm2 başına 1000 baz çifti

basılsaydı yüksekliği 16 m ve uzunlu-

ğu 30 m’den daha fazla olan kağıttan

bir kule olacaktı (12 çift katlı otobüs

hacmine eşdeğer).

ENCODE projesi, tek bir organizasyon

tarafından detayları elde edilemeyecak

kadar büyük genomun tam bir portre-

sini yapmak için her biri yapbozun bir

parçasını ekleyen yüzlerce araştırmacı-

nın bireysel katkıları üzerine inşa edi-

len büyük ölçekli projelerle ne elde

edilebileceğinin başarılı bir örneğidir.

aktif olarak bir şeyler yapıyor). Tam

olarak ne yaptığı keşfedilmeye devam

ediyor fakat kesin olarak %9’unun (ya

da muhtemelen çok daha fazlasının)

gen ekspresyonunu düzenlemede,

proteinlerin nerede ve ne zaman

yapıldığını kontrol etmede görevlidir.

Genomun aktif olan %80’i

transkripsiyon faktörleri için ‘buraya

bağlan’ bölgeleri anlamına gelen 70

000’den fazla promotor bölge ve

yaklaşık olarak 40 000 hızlandırıcı (etki

arttırıcı) bölge (uzak genlerin

ekspresyonunu kontrol eden yardımcı

diziler) içermektedir.

Büyük, 3D Kontrol paneli ENCODE genom boyunca yayılmış

olan 4 milyondan fazla gen açma-

kapama düğmesini belirledi. Genomu,

bir ses mühendisinin karışım masası-

nda olduğu gibi birçok düğmeyle

genleri açıp kapatan üç boyutlu (3D)

büyük bir kontrol paneli olarak

resmedebilirsiniz. Bu bilgi, gen ifade-

sini daha detayları ile anlamamızı

sağlıyor ve hastalıkların tedavisi için

yeni fırsatlar açığa çıkarıyor. Örneğin

CARD9 adında bir gen açma-kapama

düğmesindeki küçük bir değişim

ilerleyen Chron sendromunda (iltihap-

lı bir bağırsak hastalığı) %20 artan risk

ile ilişkilendirilir. Bir hastalığın nede-

nini gen düğmelerini etkin bir şekilde

Şekil 3. ENCODE projesi farklı doku

çeşitlerindeki genom düzenlemesindeki

farklılıkları anlamak için 147 farklı hücre

çeşitini analiz etti. Şekil, çalışmayı

kapsayan 147 farklı hücre çeşitinden

47’sinin yerini gösteriyor. Hücreler aynı

genomu paylaşmalarına rağmen, bilgiyi

kullanma yolları hücre çeşitleri arasında

farklılık gösterdiğinden, birçok hücre

çeşiti kullanıldı.

Resim: Darryl Leja’nın izniyle

dağlar gibi coğrafik özellikleri

tanımlayan bir harita) ortaya koymak

içindi. ENCODE araştırmacıları

genomda ‘shhhh’ işaretleriyle belirlenen

bölgelerdeki (genin sustrulmasını

sağlayan metil grupları) özellikleri,

transkripsiyon faktörleri için ’buraya

bağlan’ tabelalarını, transkripsiyonu

artırmak için güçlendirici bölgeleri ve

DNA’nın nasıl paketlendiğini kontrol

eden DNA modifikasyonlarını

arıyorlardı (Şekil 3).

22 | Science in School | Sayı 26 : Bahar 2013

Resim

: Da

rryl Leja

izniyle

Diziye hayat verme ENCODE deneylerinin göstermiş

olduğu en heyecan verici şeylerden

biri de genomumuzun baskın bir

şekilde fonksiyonel olmayan bir dizi

olması yerine, etkin bir şekilde canlı ve

dinamik olduğudur (genomun %80’i

ENCODE projesinin sonuçları yazıcıdan çıkarılsaydı, 12 otobüs dolusu basılmış sayfa yapardı.

Resim

: marcu

s_jb

1973/b

emani2

47/A

ndrew

Farq

uh

ar/F

lickr

İleri bilim

kapatarak normale çevirebilseydin

ne olurdu?

Ayrıca ENCODE sonuçları genom-

un nasıl organize edildiğine ve

fiziksel etkileşimlerin nasıl mey-

dana geldiğine ışık tutuyor. Araş-

tırmacılar yüzlerce kilobaz aracı-

lığıyla düzgün bir biçimde ayrıla-

bilmenin yanı sıra kontrol ettikleri

genler ile fiziksel temas halinde

olan gen düğmelerini de buldular.

Genomu uzun, doğru bir dizi

olarak hayal etmeye meyilliyiz

fakat gerçekte, hücrenin çekirde-

ğinde genom farklı parçaları ile

birbiriyle temas edecek şekilde bir

araya getirilerek sıkıca paketlen-

miştir.

EBI hakkında

Avrupa Moleküler Biyoloji Laboratuvarı (European

Molecular Biology Laboratory (EMBL))w1 yaşam bilimlerindeki temel araştırmaya kendini adamış dünyanın en iyi araştırma

enstütülerinden biridir. EMBL; uluslararası, yenilikçi ve disiplinlerarasıdır.

60 ulustan çalışanları biyoloji, fizik, kimya ve bilgisayar bilimini içeren bir

altyapıya sahiptir ve moleküler biyolojinin tüm spektrumunu kapsayan

çalışmada işbirliği yapmaktadırlar.

Cambridge (Birleşik Krallık) yakınında kurulmuş olan EBIw2 EMBL’nin

bir parçasıdır. Yaşam bilimi deneylerindeki verileri küresel bilim

topluluğuna ücretsiz olarak sağlıyor ve biyolojik hesaplamadaki temel

araştırmayı yapıyor. EBI yaşam bilimi deneylerinde her gün üretilen

olağanüstü miktardaki verilerin çoğunu elde etmek için araştırmacıları

akademi ve sanayi alanlarında eğitiyor.

EMBL, Science in School’un yayıncısı olan EIROforumw3’un bir üyesidir.

Science in School’daki tüm EMBL ilişkili makale listesine bakınız:

scienceinschool.org/embl Verilere dayanma ENCODE genomun detaylı bir

haritasını sağlıyor ayrıca bilimin

tüm yeni alanlarını keşfetmek için

kapıları aralıyor. EBI’da görev alan

ayrıca ENCODE gazetesinin de

başyazarı olan Ian Dunham şöyle

açıklıyor: ’Birçok durumda hangi

genin hastalık için gerektiği

hakkında iyi bir fikre sahip

olabilirsiniz fakat hangi düğmenin

gerekli olduğunu bilemezsiniz.

Bazen bu düğmeler çok şaşırtıcı

oluyor, bulundukları yerler çok

farklı bir hastalıkla mantıken daha

ilişkili görünebiliyor. ENCODE bize

sağlık ve hastalıktaki oyunda

anahtar mekanizmaları keşfetmeyi

Resim: Stuart Dallas Photography / Flickr

sürdürmemiz için bir dizi yol

gösteriyor. Bunlar tamamen yeni

ilaçları oluşturmak için ya da var olan

tedavileri yeniden amaçlak için

harcanabilirler.”

Bir hastalıkta hangi genlerin gerektiğini

bilmenin yanı sıra, araştırmacılar şimdi

genlerin nasıl açılıp-kapandığını düzen-

leyen düğmelerden bazılarını biliyorlar.

Ses mühendisinin karışım masasında

olduğu gibi genlerin ifadesi 4 milyonun

üzerinde gen düğmesi içeren insan

genomu ile genlerin ifadesi karmaşık bir

kontrol altındadır.

Bu, özellikle de bir gen ve hastalık

arasındaki bağlantıları belirleyen nüfus

tabanlı çalışmaların sonuçlarını

yorumlamak için faydalı olacak.

Araştırmacılar, ENCODE projesi ve

“genom çapındaki çalışmaların” verileri-

nin bir arada ele alarak, ENCODE

tarafından belirlenen gen düğmelerini de

içeren ve belli bir hastalığı işaret eden

fonksiyonel belirteçlerin hastalıkla ilişkili

bölgelerinin genetik varyasyonlarını

haritalayabilirler. ENCODE verileri

hastalığın genetik temelini daha iyi

anlamayı sağlayacak ve yıllardır bunu

anlamaya çalışan bilim adamlarının

çalışmlarını destekleyecektir.

Referanslar The ENCODE Project Consortium

(2007) Identification and analysis of

functional elements in 1% of the hu-

man genome by the ENCODE pilot

project. Nature 447: 799-816. doi:

10.1038/nature05874

Bu makaleyi ücretsiz olarak

Science in School’un web sitesinden

indirebilirsiniz, ya da Nature abone

ol; www.nature.com/subscribe

ENCODE Projesi Konsorsiyumu

(2012) İnsan genom birimlerinin

birleştirilmiş ansiklopedisi.

Nature 489:57–74. doi: 10.1038/nature11247

Science in School | Sayı 26 : Bahar 2013 | 23

Bu makaleyi ücretsiz olarak Science

in School’un web sitesinden

indirebilirsiniz, ya da Nature

dergisine abone ol;

www.nature.com/subscribe

Resim

: AlexR

ath

s/iSto

ckphoto

Koutsos A, Manaia A, Willingale-

Theune J (2009) Fishing for genes:

DNA microarrays in the classroom.

Science in School 12: 44-49. www.

scienceinschool.org/2009/issue12/

microarray

Web referansları

w1 –EMBL hakında daha fazla bilgi

için. Bkz: www.embl.org

w2 –EBI hakında daha fazla bilgi

için. Bkz: www.ebi.ac.uk

ENCODE verileri bir hastalığın genetik temelinin daha iyi anlaşılmasını sağlayacak.

w3 –EIROforum Avrupa’nın en Büyük 8 hükümeti arasındaki

kaynakları, olanakları ve

ekspertizleri tam potansiyele

ulaşmada Avrupa bilimini

desteklemek için birleştiren

bilimsel araştırma organizas-

yonlarının işbirlikçisidir.

EIROforum eğitim ve sosyal

yardım aktivitelerinin bir

parçası olarak Science in

School’u çıkarmıştır.

Bkz.: www.eiroforum.org

Ewan Birney (EBI), Tim Hub-

bard (Wellcome Trust Sanger

Institute) ve Roderic Guigo (CRG

ENCODE videosunu sunuyor (İspan-

yolca altyazılı). Bkz: http://youtu.

be/KiwXtHRfBC8

Biyoinformatiği derslerinde

tanıtmak için bu aktivitelerden

birini niçin denemiyorsun?

Kozlowski C (2010) Bioinformat-

ics with pen and paper: building a

phylogenetic tree. Science in School

17: 28-33. www.scienceinschool.

org/2010/issue17/bioinformatics

If you found this article useful, you

might also enjoy the other cutting-

edge science articles in Science in

School. See: www.scienceinschool.

org/cuttingedge

Dr Louisa Wood EBI’da çalışıyor.

Enstitünün okullarda ve halka açık

yerlerdeki sosyal yardımından sorumlu.

Bitki moleküler biyolojisinde bilimsel bir

geçmişe sahip olup doktorasını John Innes

Center, Norwich, Birleşik Krallık’da ve

Max-Planck Institute for Plant Breeding,

Cologne, Almanya’da yapmıştır. Daha

sonra teknik iletişim ve sosyal dayanışma

alanlarında kariyere başladı. 2007’den beri

EBI’da çalışıyor.

Science in School 6: 75-77. www.

scienceinschool.org/2007/issue6/

nickymulder

Kaynaklar

Nature’nin websitesinde bulunan ENCODE Explorer 13 parçada ENCODE verilerini sunuyor. ENCODE verilerini gösteren ücretsiz posteri (20 MB) indirebilirsin.

Çevrimiçi videoda, Nature editörü

Magdalena Skipper ve EBI’ın Ewan

Birney’i ENCODE projesini tartışıyor.

Bkz: http://youtu.be/Y3V2thsJ1Wc

Senin Hikayen: ENCODE ve Human Genome ENCODE projesini karikatür

formatında sunuyor. Bkz: http://youtu. be/TwXXgEz9o4w

Bkz: www.nature.com/encode

Vey doğrudan linki tıklayınız:

http://tinyurl.com/bloyd3k

Biyoenformatik hakkında daha

fazla bilgi için bkz:

Hayes E (2011) An archaeologist

of the genome: Svante Pääbo.

Science in School 20: 6-12.

www.scienceinschool.org/2011/

issue20/paabo

Communication and Public Engage-

ment team (2010) Can you spot a

cancer mutation? Science in School

16: 39-44. www.scienceinschool.

org/2010/issue16/cancer

Bu kodu nasıl kullanacağınızı

öğrenmek için, bkz: Sayfa 57

Pathmanathan S, Hayes E (2007)

Nicky Mulder, bioinformatician.

24 | Science in School | Sayı 26 : Bahar 2013