Dünya canlı ve cansız maddelerden oluşmaktadır; hayvan, bitki, mantarlar gibi kümeler ise hücrelerden bir araya gelmektedir. Yıllardır araştırılan konulardan biri olan hücre organellerin bir araya gelmesiyle oluşmaktadır. Canlıların yaşamını devam ettirebilmesi için yaşamımızı kontrol eden yönetici, bir nükleik asite yani bir DNA’ya ihtiyacı vardır. DNA, ökaryotlarda hücre çekirdeğinde yer alabildiği gibi organellerde sitoplazmanın içinde de yer alır. Histonlar, nükleozom birimlerinin temel yapı taşları olan küçük, temel proteinlerdir. Bu yapılar DNA’nın sarmalanmasında ve kromatinin organizasyonunda kritik bir rol oynamaktadır. Kromatin yıllardır gizemini korumaktadır. Richard ve ekibi, yaşlanan insan beyninde meydana gelen tek hücreli multipleks kromatin ve RNA etkileşimlerini araştırmışlardır. Araştırmacılar, tek hücrelerde çoklu nükleik asit etkileşim haritalaması (MUSIC) tekniğini kullanarak, tek tek çekirdeklerdeki çoklu kromatin etkileşimlerinin, gen ekspresyonunun ve RNA-kromatin ilişkilerinin eş zamanlı profilini çıkarmışlardır. Bu amaçla, yaşlı donörlerden alınan 14 insanın frontal korteks bölgesine, yani bilinçli düşünmenin sorumlu olduğu beyin bölgesine MUSIC tekniği uygulanmıştır. Bu teknik, çeşitli kortikal hücre tiplerini ve durumlarını belirlemiştir. Araştırmacılar, daha az kısa menzilli kromatin etkileşimi sergileyen çekirdeklerin, hem transkriptomik imza hem de Alzheimer hastalığı patolojisi ile ilişkili olduğunu gözlemlemişlerdir. MUSIC, tek hücre seviyesinde çoklu nükleik asit etkileşim haritalamasıdır ve karmaşık dokularda kromatin mimarisinin ve hücresel çözünürlükte transkripsiyonun araştırılması için güçlü bir araç sunmaktadır.Üç boyutlu genom katlanmasının, hücresel farklılaşma süreçleri arasında dinamik değişiklikler sergilediği ve terminal olarak farklılaşmış tek hücreler arasında heterojenliği ortaya koyduğu bilinmektedir. Spesifik genlerin ekspresyonundaki düzenleyici rolü iyice belirlenmiş olsa da, üç boyutlu genom yapısının çoğu genin ekspresyonunu ne ölçüde etkilediği hala tartışmalıdır. Kromatin yapısında ve tek hücrelerde gen ifadesinde gözlenen belirgin heterojenlik göz önüne alındığında, üç boyutlu genom yapısı ile tek hücreli çözünürlükte gen ifadesi arasındaki ilişkinin kapsamlı bir şekilde anlaşılması gereklidir. Bu nedenle, kromatin konformasyonunun ve gen ekspresyonun eş zamanlı profilini çıkarabilen tek hücreli multimodel teknolojinin geliştirilmesi, bu karmaşık ilişkilerin aydınlatılmasında etkili olabilmektedir.Araştırma ekibi sırasıyla MUSIC teknolojisinin RNA’yı ve parçalanmış DNA’yı tek bir dizileme kütüphanesinde oluşturmak ve hangi RNA ve DNA dizilerinin aynı çekirdekten kaynaklandığını belirlemek, sıralama kütüphanesindeki RNA eklerini DNA eklerinden ayırmak, çok yollu temaslar da dahil olmak üzere DNA-DNA ve RNA-DNA ilişkilerini yakalamak ve tanımlamayı hedeflemektedir. Bu amaca, aynı çekirdekteki tüm RNA ve parçalanmış DNA’nın aynı çekirdekten kaynaklanan RNA ve DNA dizilerinin tanımlanmasını eşleşmesini sağlayan benzersiz bir hücre barkodu ile etiketlenmesi ile oluşmaktadır.Embriyonik kök hücrelerde RNA-kromatin etkileşimlerini değerlendirmek amacıyla, H1 insan ve E14 fare embriyonik kök hücrelerinden oluşan karışık bir popülasyonu analiz etmek için MUSIC yöntemi uygulanmıştır. Bu analiz, ortaya çıkan karma türün NovaSeq platformunda dizilmesiyle gerçekleştirilmiş ve 3.067.956.666 okuma çifti üretmiştir. Bu okuma çiftleri, hem hücresel hem de kromatin kompleksi seviyesinde düşük tür karıştırma oranlarına sahip olup, MUSIC’in hem tek hücreli hem de tek kompleks çözünürlükte veri üretme yeteneğini desteklemiştir. MUSIC; DNA-DNA kümelerinin temas haritası, Mikro-C’den türetilmiş temas haritalarında gözlemlenen yapıları yeniden üretmiştir, bu da genom boyunca bölme puanlarının benzer bir dağılımıyla sonuçlanmıştır. İnsan beyninin frontal korteks bölümünde 59 yaş ve üzeri doku donörlerinden alınan 14 beyin ölümü sonrası korteks üzerinde bir MUSIC veri seti oluşturuldu. MUSIC, diğer yöntemlere kıyasla karşılaştırılabilir sayıda tek çekirdekli RNA (snRNA) okumasını ve DNA-DNA temasını çözdü ve kortikal hücre tiplerine ve hücresel durumlara karşılık gelen net kümeler oluşturdu. Yapılan örneklerde on dört korteks dokusundan yedisi Alzheimer hastalığı üzerinde örnek gösterirken diğeri göstermedi. Hastalık göstermeyen korteks dokularda örneklerin tek hücreleri uyarıcı nöronlar, inhibitor nöronlar, astrositler, oligodendrositler ve mikroglialar Alzheimer hastalarına göre daha düşük LCS sergilemiştir. Yapılan çalışmaların ardından, kromatinle ilişkili RNA’nın (caRNA), kromatinin yapısal bir bileşeni olarak giderek daha fazla kabul görmeye başlandı. Drosophilave Gallus gallus üzerinde yapılan çalışma, toplam kromatinle ilişkili nükleik asitlerin %2-5’inin RNA54 olduğunu öne sürdü. İnsan MUSIC verilerinde, RNA okumaları, tüm DNA-DNA ve RNA-DNA kümeleri de dahil olmak üzere, tüm kromatin türevli okumaların yaklaşık %4,6’sını oluşturur; bu, türler arasında kromatinle ilişkili nükleik asitlerde nispeten tutarlı bir RNA oranına işaret eder. Tekil olmayan kromatin kümelerinin (DNA-DNA veya RNA-DNA) yaklaşık %11,7’si RNA okumalar içermektedir. RNA içeren kromatin kümeleri, RNA içermeyenlere göre daha sık çoklu DNA-DNA temasları gösterir. Bu gözlem, RNA’nın uzaysal genom bölümlendirmesine katkıda bulunduğu hipoteziyle uyumludur. Kadınlar, oligodendrositler oranınca erkeklerle karşılaştırıldığında nörodejeneratif hastalıklar ve zihinsel bozukluklar açısından çok sayıda farklılık sergiliyor; Örneğin, geç başlangıçlı Alzheimer hastalığına yakalanan kadınların sayısı erkeklere göre 2 kat daha fazladır ve kadınlarda yetişkinlikte depresyon ve anksiyete görülme sıklığı önemli ölçüde daha yüksektir. Özellikle X’e bağlı birçok gende ifade edilir ve bilişsel işlevlerde rol oynar. Bu MUSIC verileri dişi kortikal hücrelerde XIST ile X kromozomu arasında azalan ilişkinin, aktif ve inaktif X kromozomları arasındaki yapısal farklılıkların azalmasıyla ilişkili olduğunu ve bunun cinsiyetler arasında kromozom X gen ekspresyonundaki daha büyük farklıklarla ilişkili olduğunu gösterdi. Sonuç olarak MUSIC tekniği 14 insan frontal korteksine uygulanmıştır ve kortikal hücre tiplerini ve durumlarını belirlemiştir. Kromatin etkileşimi sergileyen çekirdeklerin hem eski transkriptomik imza hem de Alzheimer hastalığı patolojisi ile ilişkili olduğu sonucuna varılmıştır.
Yazar: Furkan Pala
Editör: Elif Duymaz
Referans: Wen, X., Luo, Z., Zhao, W., Calandrelli, R., Nguyen, T. C., Wan, X., Charles Richard, J. L., & Zhong, S. (2024). Single-cell multiplex chromatin and RNA interactions in ageing human brain. Nature, 628(8008), 648–656. https://doi.org/10.1038/s41586-024-07239-w
-Bioinforange Bilimsel Haber Servisi-Haber Yazıları, 20> Etki Faktörlü Q1 dergilerinde yayınlanan (listesi için tıklayınız)
bilimsel araştırmaların ekip arkadaşlarımız tarafından incelenip derlenmesi ile hazırlanmaktadır.
MSc. Bioengineering
BSc. Mathematics