mRNA’daki Kuyruklar Sayesinde Genler Nesiller Boyunca Susturuldu
Yaklaşık 30 yıl önce keşfedilen minik nematod Caenorhabditis elegans RNA’ları; bitkilerde antiviral savunma, insanlarda da kansere karşı şaşırtıcı bir biyolojik mücadele süreci oldu. C. elegans ‘ın bu RNA’ları; bozulmuş RNA’ların inhibe edilmediği veya bozulan genlerin susturulmadığı, DNA tabanlı bir mekanizmaya sahip olabilirdi ve kuşaktan kuşağa bu bozukluklar iletilebilirdi. Ancak, fenomenin altında yatan moleküler detaylar henüz keşfedilmemiştir. Nature dergisinde, Shukla ve arkadaşları transgenerasyonel gen susturmanın, küçük RNA parçalarının ve araçlarının oluşumu için görünüşte zararsız gelen mRNA’ların bile küçük kalıplara dönüştürüldüğü bir enzimi açıkladılar.
1987 yılında, C. Elegans’ın genomunda kendilerini yeni bölgelere yerleştirebilen ve kendilerini çoğaltabilen, mutasyonlara neden olabilen bol ama normalde aktif olmayan transpozonları aktive eden genetik bir mutasyon tespit edildi. On iki yıl sonra, bir mutasyon daha bulunmuştur; RNA interferans (RNAi) olarak adlandırılan, bir geni susturan yani geni devre dışı bırakan yapı. Bu iki mutasyon, transpozon ve RNAi gen susturmada önemli bir rol ortaya koyan ve solucan üzerinde aynı fiziksel etkilere sahip iki yapıydı.
Mutasyonlar daha sonra tek bir gen olan RNAi-kusurlu-3’e ( rde-3 ) eşlendi. Bu gen tarafından kodlanan protein, RDE-3, işlenmemiş nükleotid dizeleri (yani mevcut DNA veya RNA’dan kopyalanmayanlar) ekleyerek DNA ve RNA’nın uçlarını uzatan bir enzim ailesine aittir. Ancak RDE-3’ün özel rolü bir sır olarak kaldı. Daha yakın zamanda, RDE-3 poli (UG) kuyrukları oluşturan RNA uçlarına alternatif üridin (U) ve guanosin (G) nükleotit dizeleri eklendiği gözlemlenmiştir. Bu RNA kuyruk aktivitesi, transpozon susturmanın ve RNAi’nin moleküler mekanizmalarının temelini oluşturabilir mi?
Tipik olarak RNAi, çift sarmallı RNA tarafından başlatılır. Bir hücreye, deneysel veya doğal olarak sokulduğunda, çift sarmallı RNA, enzimler tarafından küçük RNA’lara (siRNA’lar) ayrılır. Bunlar, diğer küçük RNA sınıfları gibi, eşleşen mRNA’ların diziye özgü degradasyonunu yönlendirmek veya proteinlere çevirilerini bastırmak için Argonaute proteinleri ile birleşir. Bu durum; bu mRNA’ları kodlayan genleri etkili bir şekilde susturur. Shukla ve meslektaşları, C. elegans germ hattına (üreme hücreleri üreten doku) çift sarmallı RNA enjekte ettiklerinde, eşleşen hücresel mRNA’ya poli (UG) kuyruklarının eklendiğini buldular. Önemli olarak, poli (UG) kuyruklarının eklenmesi (pugylation adında bir süreç) rde -3’e bağlıydı.
Fakat poli (UG) kuyrukları basitçe RNA yıkımının belirteçleri mi yoksa RNAi’de doğrudan bir rolleri olan yapılar mı? Başka bir deneyde araştırmacılar, çeşitli nükleotit kompozisyonlarının RNA kuyruklarını, in vitro üretilen tek iplikli mRNA fragmentlerine eklediler ve daha sonra bunları C. elegans’a enjekte ettiler. Poli (UG) kuyrukları ile eklenen, RNA fragmentleri, gen susturulması için güçlü tetikleyicilerdi. C. elegans’da birincil siRNA’lar RNAi’nin ikinci fazında tetikleyici yani ikincil küçük RNA’lar olan 22G-anlamlı RNAları bunlarda, başlangıç aşamasında hedef mRNA tarafından üretilen RNA-bağımlı RNA polimeraz enzimini tetikliyor. 22G-RNA’lar muhtemelen küçük RNA üretimini ve mRNA susturmayı sürdürmek için bir geri besleme döngüsü içinde hareket ederler (Şekil 1). Daha önceki çalışmalarda 22G-RNA oluşumu için rde-3’üngerekli olduğu gösterildi, ancak bu özel rolü belirsizdi. Bir RNA’nın 22G-RNA sentezi için bir substrata nasıl dönüştürüldüğü de tam olarak anlaşılamamıştır. Poli (UG) kuyrukları bu işlevi yerine getirebilir mi? Belki de Shukla ve arkadaşlarıin vitro sentezlenen poli (UG) kuyruklu RNA’ları, RNA-bağımlı RNA polimerazlar ile bağlar ve in vivo 22G-RNA üretimi için şablonlar oluşturabilir. Dolayısıyla, poli (UG) kuyrukları RNA-bağımlı RNA polimerazlar için üretim pedi olarak işlev görebilir.
Şekil 1: Nematodların RNA etkileşimi.
mRNA’lar küçük RNA molekülleri tarafından susturulabilir (translasyonu inhibe edilebilir). mRNA susturulmasını başlatan küçük RNA, bir Argonaute / Piwi proteinine bağlanır ve mRNA bölünmesini veya kırpılmasını yönlendirmek için diziye özgü bir kılavuz görevi görür, belki de mRNA’nın poli (A) kuyruğunu çıkarır. Shukla ve arkadaşları Nematodlarda üretilen kesik RNA’nın, pugylation adı verilen bir işlemde alternatif üridin (U) ve guanozin (G) nükleotitlerinden oluşan bir kuyruk ekleyen bir RDE-3 enzimi ile bağlandığını belirtti. Bu pugy RNA, RNA-bağımlı bir RNA polimeraz (RdRP) enzimi için bir ‘şablon’ görevi görür. RdRP, 22 nükleotid uzunluğunda olan ve bir guanozinle (22G-RNA) başlayan ikincil küçük RNA’ları sentezler. 22G-RNA’lar muhtemelen küçük RNA’yı başlatanla aynı role sahip yani mRNA susturmayı sürdürmek için hareket ederler. mRNA kesilmesi, pugylation ve 22G-RNA sentezi döngüleri transgenerasyonel gen susturmayı yönetir.
Shukla ve arkadaşları mRNA’nın poli (UG) kuyrukları eklenmeden önce açıldığını veya kırpıldığını gösteren kanıtlar buldu (Şekil 1). Bu nedenle açılma, pugylation için bir mRNA’yı hazırlayabilir, çünkü açılma işlemi, stabilitelerini ve translasyonunu desteklemek için çoğu mRNA’ya eklenen adenosin (A) moleküllerinden oluşan başka bir kuyruk olan poli-A kuyruğunu ortadan kaldıracaktır.
Birlikte ele alındığında, yazarların çalışması, mRNA’ların siRNA’lar ve ilişkili proteinler tarafından bağlandıkları ve açılmalarına yol açan bir model önermektedir. RDE-3, bölünmüş mRNA ucuna poli (UG) kuyrukları ekleyerek RNA’ya bağlı RNA polimerazların mRNA’dan şablonlanmış 22G-RNA’ların bağlamasını ve sentezlemesini sağlar. Bu 22G-RNA’lar, gen susturulmasını sürdürerek birincil siRNA molekülleriyle aynı şekilde hareket eder.
Daha önce yapılan çalışmalar poli (UG) kuyrukları yerine, poli (U) kuyruklarının eklenmesinde de RDE-3’ü içeriyordu. Bu çalışma ile yeni bulgular arasındaki tutarsızlığın nedeni belirsiz, ancak germ hattı olmayan doku ile karşılaştırıldığında germ hattı gibi dokular kendine özgü etkileri yansıtabilir. Öyleyse, RDE-3’ün hücre türüne bağlı olarak poli (UG) ‘den poli (U)’ ya kadar birçok kuyruk modları değiştirebileceği öngörülmektedir. Yapılan bu yeni çalışmanın eksikliği, araştırmacılar diğer kuyruk çeşitlerinin bunu yapamayacağını gösterdiler ancak poli (U) kuyruklarının da RNAi’yi tetikleyip tetiklemeyeceğini test etmemiş olmaları. C. elegans; RNAi olmadan epigenetik miras altında yatan, gen ekspresyonunda değişikliklerin bulunduğu bir olgu ya da DNA sekansında değişiklikler üç veya daha fazla jenerasyon boyunca kuşaktan kuşağa iletilebilir. Çarpıcı bir şekilde, Shukla ve arkadaşlarısolucan germ hattına enjekte edilen tek bir poli (UG) kuyruklu RNA dozunun, birkaç nesil boyunca eşleştiği bir genin susturulmasını tetikleyebileceğini göstermektedir. Bir dizi basit genetik deney yoluyla araştırmacılar, pugylation ve 22G-RNA sentezi döngülerinin genin bir nesilden diğerine susturulmasını sağladığını keşfettiler. Bu, deneysel olarak indüklenen RNAi anlayışımızda önemli bir gelişmedir. Ancak pugylation doğal olarak gerçekleşir mi?
Transpozonlar da dahil olmak üzere yüzlerce C. elegans geni doğal olarak RDE-3 içeren bir RNAi yolu ile düzenlenir, dolayısıyla RNAi ve transpozon susturma arasındaki orijinal bir bağlantı vardır. Doğal olarak oluşan RNAi genellikle Piwi ile etkileşen RNA’lar “piRNA” adı verilen farklı bir küçük RNA sınıfı içerir. Bu piRNA’lar, siRNA’lar gibi, 22G-RNA’ların üretimini ve kalıtsal gen susturulmasını tetikler. Shukla ve arkadaşları transpozonlarda dâhil olmak üzere çeşitli doğal RNAi hedefleri üzerinde poli (UG) kuyrukları tespit ettiler. Bu, pugylationun deneysel RNAi ile sınırlı olmadığına ve gen ekspresyonunun düzenlenmesinde geniş bir role sahip olabileceğine dair çarpıcı bir kanıt olabilir. Ancak, küçük RNA’ları içeren ve çeşitli yollarda ne kadar merkezi olduğunu ortaya çıkarmak için fenomenin daha geniş bir ölçekte araştırılması gerekecektir.
Pugylation nematodlara özgü mü? Ciliates’de de(tek hücreli, nükleus taşıyan organizmalar grubu) poli (U) kuyrukları RNAi sırasında RNA’ya bağlı RNA polimeraz aktivitesini teşvik eder. Ancak sillilerde pugylationun meydana gelip gelmediği ve RNA’ya bağlı RNA polimerazları (memeliler gibi) bulunmayan organizmalarda poli (UG) kuyruklarının hangi işlevlerde kullanılabileceği belirsiz. RDE-3 mayadan insanlar arasında değişen türlerde potansiyel muadillere sahip ve yapay formları, maya ve kurbağalar gibi uzak ilişkili organizmalarda bile RNA’lara poli (UG) kuyrukları ekleyebilir. Shukla ve meslektaşlarının çalışması, diğer türlerde poli (UG) kuyruklu RNA’ların tanımlanmasına ve küçük RNA’ların ve diğer biyolojik süreçlerin üretiminde ki rollerinin araştırılmasına ışık olabilir.
Kaynak : nature.com
