Genomunu Kendi Eliyle Parçalayan Hücreler

Bölüm metni

Vücudunuzdaki her hücrenin aynı DNA'yı taşıdığı öğretilir. Bu doğru değil: bağışıklık hücreleriniz, daha doğmadan önce kendi genomlarını makasla kesip rastgele yeniden yapıştırdı. Ve bunu yapmayı öğreten şey, milyonlarca yıl önce atalarımızın DNA'sına yerleşmiş bir asalak olabilir.

Bağışıklık sisteminin çözdüğü sorunu tam olarak kavramak için önce ne kadar imkânsız göründüğünü görmek gerekir. Vücudunuz, daha önce hiç karşılaşmadığı bir virüsü tanıyabiliyor. Bu, evrimin uzun süre boyunca hazırlık yapabildiği bir şey diye düşünülebilir; sonuçta grip virüsleri milyonlarca yıldır ortalıkta. Ama olay bundan çok daha tuhaf. 1930'larda Karl Landsteiner, laboratuvarda sentezlediği, doğada hiç bulunmayan, hiçbir canlının hiçbir zaman görmediği yapay kimyasalları hayvanlara enjekte etti. Hayvanlar o moleküllere karşı da antikor üretti. Yani bağışıklık sistemi, evrimin asla öngöremeyeceği hedefleri tanıyabiliyordu. Var olmayan bir kilide uyan anahtar üretiyordu.

Bunun ne demek olduğunu bir an düşünün. Bir antikorun hedefine bağlanabilmesi için, o hedefin yüzeyindeki girinti çıkıntıya üç boyutlu olarak oturması gerekir. Bu, kilit ve anahtar kadar özgül bir iş. Ve bağışıklık sisteminin karşılaşabileceği kilit sayısı pratik olarak sınırsız. Peki anahtarları nereden buluyor?

Cevabın çok basit bir versiyonu var: her anahtar için bir gen. Bir protein, bir gen. O dönemin moleküler biyolojisinin temel kuralı buydu. Ama bu cevap ilk aritmetik denemesinde çöküyor. İnsan genomunda protein kodlayan gen sayısı yaklaşık 20 bin. Yirmi bin gen, gözden kalp kasına, sindirim enzimlerinden beyin hücrelerinin iyon kanallarına kadar bütün bir insanı inşa etmek zorunda. Bunların hepsini antikor yapımına ayırsanız bile elinizde 20 bin farklı anahtar olur. Oysa bağışıklık sisteminin ihtiyaç duyduğu çeşitlilik bunun milyarlarca katı.

1965'te William Dreyer ve Claude Bennett, o gün için neredeyse sapkınlık sayılan bir öneride bulundular. Belki, dediler, bir antikor zincirini tek bir gen kodlamıyordur. Belki iki ayrı gen parçası vardır ve bunlar hücrenin içinde bir şekilde birleşiyordur. Öneri iyi karşılanmadı, çünkü daha derin bir varsayımı çiğniyordu: bir organizmanın bütün hücreleri aynı DNA'yı taşır. Karaciğer hücrenizle deri hücrenizin farkı, hangi genleri açıp kapattıklarındadır, hangi genlere sahip olduklarında değil. Genom, döllenmiş yumurtadan itibaren kutsal bir metin gibi sadakatle kopyalanır. Bunun aksini iddia etmek, hücrelerin kendi kalıtım metnini yeniden yazdığını iddia etmek demekti.

Susumu Tonegawa tam olarak bunu gösterdi. Basel'deki İmmünoloji Enstitüsü'nde, 1976'da Nobumichi Hozumi ile birlikte yürüttüğü deney kavram olarak zarif ölçüde basitti. İki farklı hücre kaynağından DNA aldılar: bir fare embriyosundan ve antikor üreten bir tümör hücresinden. Her iki DNA'yı da aynı restriksiyon enzimiyle, yani belirli dizileri tanıyıp orada kesen moleküler makasla parçaladılar. Parçaları büyüklüklerine göre ayırdılar. Sonra radyoaktif işaretli antikor RNA'sını kullanarak, aradıkları dizinin hangi parçada durduğunu tespit ettiler. Embriyo DNA'sında antikorun değişken bölgesini kodlayan dizi ile sabit bölgesini kodlayan dizi, birbirinden ayrı iki parçada duruyordu. Antikor üreten hücrede ise ikisi tek bir parçada, yan yana gelmişti. Arada yatan DNA ortadan kaybolmuştu.

Bu, bir gen ifadesi farkı değildi. Fiziksel bir farktı. Hücre, olgunlaşırken kendi kromozomunu kesmiş, bir parçayı atmış, kalan uçları birbirine yapıştırmıştı. Genom, sadakatle kopyalanan kutsal metin değildi; en azından bir hücre tipinde, üzerinde çalışılan bir taslaktı. Tonegawa bu buluşla 1987 Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü'nü tek başına aldı.

Bunun ardından ortaya çıkan mimari, biyolojinin en ekonomik tasarımlarından biri. Ağır zincir denen antikor parçasının genetik malzemesi 14. kromozomda duruyor, ama bir gen olarak değil, bir parça deposu olarak. Depoda üç raf var. Birinci rafta V adı verilen, işlevsel olanları yaklaşık 40 tane segment; ikinci rafta D adı verilen 23 segment; üçüncü rafta J adı verilen 6 segment. Olgunlaşan bir B hücresi bu raflardan birer parça seçer, aralarındaki her şeyi keser atar, seçtiklerini birleştirir ve ortaya tek bir çalışır gen çıkarır. Hafif zincir için de benzer bir depo var, 2. ve 22. kromozomlarda.

Aritmetik burada değişiyor. 40 çarpı 23 çarpı 6, yaklaşık 5.500 farklı ağır zincir kombinasyonu demek. Hafif zincirde kabaca 200 kombinasyon var. İki zincir bağımsız seçildiğine göre, çarpım bir milyonun üzerine çıkıyor. Yirmi bin genin sığdıramadığı çeşitliliği, birkaç düzine parçadan oluşan bir kombinasyon sistemi bir milyona taşıdı. Yine de bu bir milyon, gerçek repertuvarın yanında küçük kalıyor. Asıl patlama, parçaların birleştiği o kesişme noktasında, hücrenin makası bıraktığı yerde oluyor.

Kesme işini yapan şeyin ne olduğu, Tonegawa'nın buluşundan on üç yıl sonra bulundu. David Baltimore'un laboratuvarında David Schatz ve Marjorie Oettinger, 1989 ve 1990'da birbirini izleyen iki çalışmayla iki geni tanımladılar: RAG1 ve RAG2. Bu iki protein bir araya geldiğinde ortaya moleküler bir makas çıkıyor. Ve bu makasın nereyi keseceğini bilmesi gerekiyor, çünkü yanlış yerde bir kesik felaket demek.

Yönlendirme sistemi şöyle işliyor. Depodaki her V, D ve J segmentinin kenarında, tanınma dizisi denen kısa bir işaret duruyor. Bu işaret üç parçadan oluşuyor: yedi bazlık bir dizi, ardından ya 12 ya da 23 bazlık bir boşluk, sonra dokuz bazlık ikinci bir dizi. RAG kompleksi yalnızca iki farklı boşluğu, yani bir 12'lik ile bir 23'lüğü eşleştirdiğinde kesiyor. Bu kural, sistemin doğru parçaların doğru sırayla birleşmesini garantileme yöntemi. İki V segmentinin birbirine yapışmasını, ya da bir D'nin atlanmasını engelleyen şey bu basit sayı uyumu.

Sonra RAG makası DNA'nın iki ipliğini de kesiyor. Bu cümlenin ağırlığını fark etmek gerek. Çift iplikli DNA kırığı, hücre biyolojisinde alarm zilidir. Radyasyonun, kimyasal toksinlerin, kanserleşmenin sebebi olan hasar tam olarak budur. Hücre normalde bunu ne pahasına olursa olsun önlemeye çalışır, olduğunda ise ya onarır ya da kendini öldürür. Olgunlaşan bir lenfosit ise bu hasarı kasten, kendi eliyle, kendi kromozomunda yaratıyor.

Kesikten sonrası daha da tuhaf. RAG, kestiği uçları serbest bırakmıyor; iki ipliği birbirine bağlayıp kapalı bir firkete oluşturuyor. Bu firketeyi Artemis adlı bir enzim açıyor, ama tam ortasından değil, rastgele bir noktadan. Asimetrik açılma, uçlarda düzensiz çıkıntılar bırakıyor. Ardından TdT adlı bir enzim devreye giriyor ve kırık uca hiçbir kalıba bakmadan, tamamen rastgele nükleotidler ekliyor. Sonra hücrenin genel onarım makinesi, kırık uçları birbirine yapıştırıyor. Ama bu onarım özensiz; yapıştırırken baz kaybediyor, baz ekliyor.

İşte astronomik sayılar burada doğuyor. Kombinasyonlar bir milyon çeşitlilik veriyordu; birleşme noktasındaki bu kontrollü özensizlik, çeşitliliği milyarlarca, teorik hesaplarda trilyonlarca kata çıkarıyor. Ve bu rastgele bölge, antikorun hedefe temas eden merkezine denk geliyor. Yani anahtarın en kritik dişleri, hücrenin bilerek bozduğu onarımın ürünü. Sistem, kendi hatalarını üretim yöntemi haline getirmiş.

Bedeli ağır. Rastgele baz eklemek, okuma çerçevesini kaydırma riski demek. Üç birleşmeden ikisi çerçeveyi bozuyor ve işe yaramaz bir gen üretiyor. Böyle bir hücre ölüyor. Timusta olgunlaşmaya çalışan T hücrelerinin yüzde 95'ten fazlası oradan canlı çıkamıyor; bir kısmı bu birleşme kumarını kaybettiği, bir kısmı da ortaya çıkan reseptör vücudun kendi dokularına saldırdığı için. Bağışıklık sisteminin çeşitliliği, muazzam bir hücre israfı üzerine kurulu.

Makas bozulduğunda ne olduğunu klinik gösteriyor. RAG1 veya RAG2 genlerinde işlev kaybettiren mutasyon taşıyan çocuklar, olgun T ve B hücresi üretemiyor; ağır kombine immün yetmezlik tablosu ortaya çıkıyor. Firketeyi açan Artemis eksik olduğunda benzer bir yetmezlik görülüyor, üstelik bu çocukların hücreleri radyasyona da aşırı duyarlı oluyor, çünkü aynı onarım yolu iki iş birden yapıyor.

Makas doğru çalışıp yanlış yere gittiğinde ise başka bir sorun çıkıyor. Kromozomda serbest kalmış kırık uçlar, ait olmadıkları yerlere yapışabiliyor. Burkitt lenfomasında 8. kromozomdaki MYC geni, antikor genlerinin bulunduğu 14. kromozomdaki bölgeye taşınıyor. Antikor bölgesi bir B hücresinde sürekli ve yüksek düzeyde açıktır; MYC de hücre bölünmesini teşvik eden bir gendir. Sonuç, bölünme pedalına takoz koymak oluyor. Foliküler lenfomada aynı hikâye, bu kez hücre ölümünü engelleyen BCL2 geniyle tekrarlanıyor. Bağışıklığı mümkün kılan mekanizma, kan kanserlerinin önemli bir bölümünün de doğrudan sebebi.

Ve hücre bununla da yetinmiyor. Bir B hücresi mikropla karşılaşıp lenf düğümündeki germinal merkeze girdiğinde, ikinci bir kendini bozma programı başlatıyor. AID adlı enzim, Tasuku Honjo'nun laboratuvarında 1999'da tanımlandı. Bu enzim, antikor geninin değişken bölgesine gidip DNA harflerini kimyasal olarak değiştiriyor; sitozini urasile çeviriyor. Bu değişiklik onarım mekanizmalarını yanıltıyor ve o bölgede mutasyon üstüne mutasyon birikiyor. Hız, genomun geri kalanındaki doğal mutasyon hızının yaklaşık bir milyon katı.

Bu, bir kaza değil, hızlandırılmış evrim. Mutasyona uğrayan hücreler bölünüyor, ortaya birbirinden biraz farklı antikorlar taşıyan bir hücre kalabalığı çıkıyor ve germinal merkezde bir eleme yarışı yapılıyor. Hedefe daha sıkı bağlanan antikoru taşıyan hücre hayatta kalma sinyali alıyor; zayıf bağlanan ölüyor. Süreç tekrarlandıkça antikorların hedefe yapışma gücü yüzlerce, binlerce kat artabiliyor. Aşıların ikinci dozunun neden ilkinden daha iyi bir koruma bıraktığını açıklayan şeylerden biri bu. Aynı AID enzimi, antikorun sınıfını değiştiren bir başka kesme yapıştırma işlemini de yürütüyor; böylece aynı özgüllükteki antikor, kanda dolaşan tipten mukozayı koruyan tipe geçebiliyor. Ve tahmin edilebileceği gibi, hedefini şaşıran AID de lenfomalara katkıda bulunuyor.

Ortaya çıkan tablo şu: omurgalı bağışıklık sistemi, kendi genomunu kesmeyi, rastgele bozmayı ve özensizce onarmayı bir üretim yöntemine dönüştürmüş. Geriye tek bir soru kalıyor. Bir hücre kendi kromozomunu kesip yeniden düzenleme yeteneğini nereden edinir?

Cevabın ilk ipucu, kimsenin aramadığı bir yerde, dizilerin şeklinde duruyordu. 1979'da Tonegawa'nın grubundan Hiroshi Sakano ve arkadaşları, RAG'in tanıdığı işaret dizilerine bakarken bir benzerliği fark ettiler. Bu diziler, bir gen segmentinin kenarında durması gerekmeyen bir şeye benziyordu: transpozonların uçlarına. Transpozonlar, genomda yer değiştirebilen DNA parçaları; kendilerini kesip başka bir yere yapıştıran, taşıdıkları tek gerçek bilgi çoğu zaman bu kesip yapıştırma enziminin kendisi olan asalak diziler. İnsan genomunun neredeyse yarısı bu tür hareketli ya da bir zamanlar hareketli olmuş elemanların kalıntısından oluşuyor. Sakano ve arkadaşları o benzerliğe bakıp bir ihtimal dile getirdiler: belki bu sistem bir transpozondan geliyordur.

Bu, uzun süre kanıtsız bir tahmin olarak kaldı. 1998'de iki ayrı laboratuvar, Martin Gellert'inki ve David Schatz'ınki, RAG proteinlerinin test tüpünde gerçek bir transpozisyon yapabildiğini gösterdi. Yani RAG, kestiği DNA parçasını başka bir DNA molekülüne yapıştırabiliyordu; tam olarak bir transpozaz gibi davranıyordu. Ayrıca RAG1'in katalitik merkezindeki üç amino asitten oluşan yapının, transpozazlarda ve HIV gibi retrovirüslerin genomu konak DNA'sına sokan integraz enzimlerinde bulunan yapıyla aynı olduğu anlaşıldı. Kimya aynıydı.

Kesin akrabalık 2005'te geldi. Vladimir Kapitonov ve Jerzy Jurka, omurgasız hayvanların genomlarında Transib adını verdikleri bir transpozon ailesi tanımladılar ve bunların taşıdığı enzimin RAG1'in çekirdek bölgesiyle açıkça akraba olduğunu gösterdiler. RAG1, evcilleştirilmiş bir transpozazdı.

Ve 2016'da, hâlâ yaşayan bir akraba bulundu. Şengfeng Huang ve meslektaşları, amfioksus denen, omurgalılara en yakın omurgasızlardan biri olan mızrakçık hayvanının genomunda ProtoRAG adını verdikleri bir eleman tanımladılar. Bu, müzelik bir kalıntı değil: RAG1 ve RAG2'ye benzeyen iki geni yan yana taşıyan, uçlarında bağışıklık sistemindeki tanınma dizilerini andıran işaretler bulunan, hâlâ çalışan bir transpozon. Bir yerden kesilip başka bir yere yapışabiliyor. Yani omurgalı bağışıklık sisteminin kalbindeki makine, kendi başına buyruk bir asalak olarak var olmaya devam ediyor. Benzer bir RAG1 ve RAG2 ikilisi deniz kestanesi genomunda da bulundu; bu, çiftin omurgalılardan çok daha eski olduğunu gösteriyor.

Buradan çıkan tarih şu. Yaklaşık 500 milyon yıl önce, çeneli omurgalıların atasında, böyle bir transpozon genomda dolaşırken bir bağışıklık reseptörünü kodlayan bir genin tam ortasına atladı. Normalde bu bir hasar. Gen ikiye bölündü, işlevini kaybetti. Ama transpozon beraberinde kendi kesme yapıştırma enzimini ve kendi tanınma işaretlerini getirmişti. Bu da şu anlama geliyordu: bölünmüş gen, geri birleştirilebilirdi. Ve enzim geri birleştirmeyi her seferinde biraz farklı yaparsa, tek bir gen yerine bir sürü farklı gen üretilebilirdi.

Bir arıza, bir yeteneğe dönüştü. Bunun ardından evrim asalağı ehlileştirdi. Transpozonun serbestçe zıplama eğilimi bastırıldı; RAG2'ye eklenen düzenleyici alanlar, makasın yalnızca doğru hücrede, doğru gelişim aşamasında ve doğru kromozom bölgesinde açılmasını sağlayan bir güvenlik sistemi kurdu. Bugün lenfomalarda gördüğümüz yanlış kaynaşmalar, o güvenlik sisteminin nadiren de olsa açık verdiği anlar. Elimizdeki kanıtlar dolaylı; kimse 500 milyon yıl önceki o sıçramayı izlemedi. Ama dizi benzerliği, katalitik kimyanın aynılığı ve amfioksustaki yaşayan örnek bir araya geldiğinde, bu senaryo bugün alanın büyük ölçüde üzerinde uzlaştığı açıklama.

Bunun ne kadar tesadüfî olduğunu görmek için yandaki dala bakmak yeterli. Çenesiz omurgalılar, yani taşemen ve hagfish, bu transpozonu almadılar. Onların da uyarlanabilir bir bağışıklık sistemi var, ama tamamen başka malzemeden yapılmış: antikor yerine, lösinden zengin tekrar birimlerinin üst üste dizilmesiyle oluşan ve değişken lenfosit reseptörü denen bir yapı kullanıyorlar. Çeşitliliği de RAG ile değil, APOBEC ailesinden bambaşka enzimlerle, farklı bir DNA yeniden düzenleme mantığıyla üretiyorlar. Max Cooper'ın grubunun 2004'te ortaya koyduğu bu sistem, sonuç olarak devasa bir repertuvar veriyor. Yani sorunun tek bir çözümü yoktu. Bizim çözümümüz, doğru anda doğru yere düşen bir asalağın getirdiği aletle bulundu.

Bu miras bugün pratik bir işe de yarıyor. Her lenfositin birleşme noktası, o hücreye özgü bir dizi taşıyor; ikinci bir hücrede aynısının çıkma ihtimali yok denecek kadar düşük. Klinikte lösemi tedavisinin ardından hastada kalan hastalıklı hücreleri aramak için bu diziyi kullanıyoruz; kanser hücrelerinin ortak imzası, atalarının bir kez yaptığı o rastgele yapıştırma. Aynı şekilde, bir insanın kanındaki milyonlarca farklı reseptör dizisini okuyarak bağışıklık sisteminin neye maruz kaldığını, aşıya nasıl yanıt verdiğini, hangi klonun genişlediğini takip edebiliyoruz.

Yani vücudunuzdaki her antikorun kalbinde, bir zamanlar genomunuza davetsiz giren bir DNA parçasının yaptığı iş duruyor. Kromozomlarınızı kesen makas, sizin icadınız değil; sizi hasta etmesi beklenen bir şeyden kalma bir alet. Bağışıklık, en iyi silahını hiç yenmediği bir asalaktan almış olabilir.

Nöron Bilim'de bugünkü bölümün sonuna geldik. Yeni bir hikâyede yeniden buluşmak üzere.