Epigenetik ve Hastalıklar: Epigenetiğin, Hastalıklar ve Tedaviler ile İlişkisi Nedir?

Bir kişinin genlerinin davranışı sadece genlerin DNA dizilimine bağlı değildir, epigenetik faktörler de gen davranışlarını etkiler. Bu faktörlerdeki değişiklikler hastalıkta önemli bir rol oynayabilir.

Dış çevrenin genler üzerindeki etkisi hastalığa yol açabilir ve bu etkilerin bazıları insanlarda kalıtsal olabilir. Çevresel faktörlerin bir bireyin yavrusunun genetiğini nasıl etkilediğini araştıran çalışmalar tasarlamak zordur. Fakat toplumsal düzenin oldukça merkezileştirilmiş olduğu bazı bölgelerde, aileleri etkileyebilecek çevresel bilgi elde edilebilir. Örneğin İsveç bilim insanları son zamanlarda beslenmenin kalp ve damar hastalıkları ve diyabetle ilişkili ölüm oranını etkileyip etkilemediğini ve bu etkilerin ebeveynlerden çocuklara ve torunlara geçip geçmediğini inceleyen araştırmalar yürüttüler (Kaati et al., 2002). Bu araştırmacılar İsveç’teki ailelerin 1980’lerden başlayarak üç nesil boyunca yıllık mahsullerinin ve yiyecek fiyatlarının kayıtlarını inceleyerek bireylerin yiyeceğe ne kadar erişimi olduğunu tahmin ettiler. Araştırmacılar, bir babanın ergenliğinden hemen önceki gelişiminde kritik bir dönem boyunca yeteri kadar yiyeceğe erişimi olmadığı durumlarda, erkek evlatlarının kalp ve damar hastalıklarından ölme olasılığının daha düşük olduğunu buldular. Baba tarafından büyükbaba için bu kritik dönem boyunca yiyeceğin bol olması durumunda, çocukların diyabetle ilişkili ölümleri önemli ölçüde artıyordu. Aşırı yiyeceğin babanın dönemine denk düşmesi durumunda ise çocukların diyabetle ilişkili ölümleri azalıyordu. Bu bulgular, diyetin bir ailedeki erkekler tarafından nesilden nesile aktarılan  gen değişikliklerine sebep olabildiğini ve bu değişikliklerin bazı hastalıklara karşı hassasiyeti etkileyebildiğini göstermektedir. Peki, bu değişiklikler nelerdir ve nasıl hafızada tutulur? Bu tarz soruların cevapları epigenetik kavramının içinde yer alır.

Epigenetik Nedir? Epigenetik Değişiklikler Genleri Nasıl Etkiler?

Epigenetik, bir bireyin genetiğinin DNA dizilimi dışındaki faktörler tarafından kontrol edilmesini içerir. Epigenetik değişiklikler genleri açıp kapatabilir ve hangi proteinlerin kopyalanacağını belirler.

Epigenetik birçok normal hücresel süreçte yer alır. Hücrelerimizin hepsinin aynı DNA’ya sahip olduğunu, fakat vücudumuzun nöronlar, karaciğer hücreleri, pankreas hücreleri, iltihap hücreleri ve diğerleri gibi çok farklı hücre türleri içerdiği gerçeğini düşünelim. Bu nasıl olabilir? Kısaca hücreler, dokular ve organlar belli gen gruplarının “açılması” ya da ifade edilmesi, diğer gen gruplarının da “kapanması” ya da baskılanması nedeniyle farklılık gösterir. Epigenetik susturma,  genleri kapatma yöntemidir ve diferansiyel (ayrımsal) ifadeye katkı sağlayabilir. Susturma, genetik ikizlerin fenotipik olarak neden aynı olmadığını kısmen açıklayabilir. Ek olarak epigenetik, dişi memelilerin, erkekler gibi, iki kat X kromozomu gen ürününe sahip olmaması için gerekli olan X kromozomu inaktivasyonu için önemlidir (Egger et al., 2004). Buradan, genleri epigenetik değişiklikler aracılığıyla kapatmanın önemi kolayca anlaşılabilir.

Genleri susturmak için hücre içerisinde birbiriyle etkileşime girebilen üç sistem vardır: DNA metilasyonu, histon modifikasyonları ve RNA bağlantılı susturma (Görsel 1; Egger et al., 2004).

Nature Publishing Group

DNA Metilasyonu

DNA metilasyonu, DNA'ya bir metil grup ekleyen kimyasal bir süreçtir. DNA metilasyonu oldukça spesifiktir ve her zaman bir fosfatla bağlanan bir guanin nükleotidinin yanında bir sitozin nükleotidinin bulunduğu bölgede gerçekleşir; buna CpG bölgesi denir (Egger et al., 2004; Jones & Baylin, 2002; Robertson, 2002). CpG bölgeleri , DNA metiltransferazları (DNMTs) denen 3 enzimden biri ile metillenir (Egger et al., 2004; Robertson, 2002). Metil grupları yerleştirmek, DNA’nın yapısını ve dış görünüşünü, aynı zamanda transkripsiyon için gerekli olan hücre çekirdeği içindeki mekanizmalarla genin etkileşimini değiştirir. DNA metilasyonu bazı genlerde hangi genin babadan, hangi genin anneden geçtiğini ayırt etmek için kullanılır ve bu işleme genomik damgalama (imprinting) denir.

Histon Modifikasyonları

Histonlar, DNA ve kromozomları oluşturan proteinlerin kompleksi olan kromatinin ana bileşeni olan proteinlerdir. Histonlar, etrafında DNA’nın sarılabildiği bir makara görevi görür. Histonlar proteine çevrildikten sonra değiştirilirse (yani çeviri sonrası değişim), kromatinin nasıl düzenlendiğini etkileyebilir, dolayısıyla ilişkili kromozomal DNA'nın kopyalanıp kopyalanmayacağını belirleyebilir. Eğer kromatin kompakt halde değilse aktiftir ve ilişkili DNA kopyalanabilir. Aksine, kromatin yoğunlaşmışsa (heterokromatin denilen bir karışım oluşturma) inaktiftir ve DNA transkripsiyonu meydana gelmez.

Asetilasyon ve metilasyon olmak üzere iki temel yöntemle histonlar değiştirilebilir. Bunlar histonda bulunan lizin amino asidine sırasıyla bir asetil ya da metil grup ekleyen kimyasal süreçlerdir. Asetilasyon çoğunlukla aktif kromatinle ilişkiliyken deasetilasyon genellikle heterokromatinle ilişkilidir. Diğer yandan, histon metilasyonu kromatinin hem aktif hem de inaktif bölgeleri için bir belirteç olabilir. Örneğin sessiz DNA'yı belirten spesifik bir histondaki (H3) özel bir lizinin (K9) metilasyonu heterokromatin genelinde yaygın bir şekilde görülür. Bu, dişilerin inaktifleştirilmiş X kromozomundan sorumlu olan epigenetik değişiklik türüdür. Bunun aksine, aynı histondaki (H3) farklı bir lizinin (K4) metilasyonu da aktif genlerin bir belirtecidir (Egger et al., 2004).

RNA Bağlantılı Susturma

Eğer RNA; antisens transkripsiyonlar, kodlamayan RNA'lar ya da RNA girişimi (interferans) şeklinde olursa, genler RNA tarafindan da kapatılabilir. RNA, heterokromatinin oluşmasına sebep olarak ya da histon modifikasyonlarını ve DNA metilasyonunu tetikleyerek gen ifadesini etkileyebilir.

Epigenetik ve Hastalık: Bazı Örnekler

Epigenetik değişiklikler normal gelişim ve sağlık için gerekliyken, bazı hastalık durumlarından da sorumlu olabilirler. Epigenetik değişikliklere katkı sağlayan üç sistemden herhangi birinin bozulması anormal aktivasyona ve genlerin susturulmasına sebep olabilir. Bu tür bozulmalar kanser, kromozomal düzensizliklerle ilgili sendromlar ve zeka geriliği ile ilişkilendirilmiştir (Tablo 1).

Nature Publishing Group

Epigenetik ve Kanser

Epigenetiğe bağlanan ilk insan hastalığı, 1983’te kanserdi. Araştırmacılar, kolorektal kanserli hastalardan alınan hastalıklı dokunun aynı hastaların normal dokusundan daha az DNA metilasyonuna sahip olduğunu buldular (Feinberg & Vogelstein, 1983). Metillenmiş genler çoğunlukla kapatıldığı için, DNA metilasyonu kaybı kromatin düzenini değiştirerek anormal bir şekilde yüksek gen aktivasyonuna neden olabilir. Diğer yandan, çok fazla metilasyon, koruma işlevi gören tümör baskılayıcı genlerin çalışmasını bozabilir.

Daha önce bahsedildiği gibi, DNA metilasyonu CpG bölgelerinde meydana gelir ve memelilerdeki CpG sitozinlerinin büyük bir çoğunluğu metillenir. Bununla birlikte normal hücrelerde metile edilmemiş, CpG bakımından zengin (CpG adacıkları olarak bilinir) olan promotör bölgeleri yakınında DNA uzantıları vardır. Bu CpG adacıkları kanser hücrelerinde aşırı derecede metillenmiş olurlar ve kapatılmaması ve susturulmaması gereken genlere neden olur. Bu anormallik tümörlerde ortaya çıkan ve kanser gelişiminin erken dönemlerinde meydana gelen bu hastalığa özgü epigenetik değişikliklerdir (Egger et al., 2004; Robertson, 2002; Jones & Baylin, 2002). CpG adacıklarının hipermetilasyonu tümör baskılayıcı genleri kapatarak tümörlere neden olur. Aslında, bu tip değişiklikler insanlarda görülen kanserde DNA dizilimi mutasyonlarından daha yaygın olabilir (Görsel 2).

Ek olarak, epigenetik değişiklikler DNA dizilimini değiştirmemesine rağmen mutasyonlara neden olabilir. Ailevi ya da kalıtımsal kanser türlerine sebep olan genlerin neredeyse yarısı metilasyon tarafından kapatılır. Bu genlerin birçoğu normalde tümör oluşumunu baskılar ve DNA onarımına yardımcı olur. DNA onarım mekanizmaları arasında O⁶-metilguanin-DNA metiltransferazı (MGMT), MLH1 siklin bağımlı kinaz inhibitörü 2B (CDKN2B) ve RASSF1A bulunmaktadır. Örneğin MGBT promotörünün hipermetilasyonu G-A mutasyonları sayısının artmasına neden olur (Görsel 2).

Hipermetilasyon, tekrarlanan DNA dizilimleri olan mikrouyduların düzensizliğine neden olabilir. Mikrouydular normal bireylerde yaygındır ve genellikle CA  dinükleotidinin tekrarlarından oluşur. MLH1 DNA onarım geninin bulunduğu promotörün çok fazla metilasyonu mikrouydunun düzenini bozarak uzamasına veya kısalmasına neden olur (Görsel 2). Mikrouydu düzensizliği birçok kanserle bağlantılıdır. Bunlar arasında kolorektal, endometriyal, yumurtalık ve mide kanserleri bulunmaktadır.

Nature Publishing Group

Epigenetik ve Zeka Geriliği

Frajil (kırılgan) X sendromu özellikle erkeklerde en sık görülen zihinsel engeldir. Her iki cinsiyet de bu durumdan etkilenebilir, ama erkekler sadece bir tane X kromozomuna sahip oldukları için, bir kırılgan X onları daha ciddi bir şekilde etkileyecektir. Aslında kırılgan X sendromu yaklaşık olarak 4.000 erkekten birinde ve 8.000 dişiden birinde ortaya çıkmaktadır. Kırılgan X sendromu olan kişiler ciddi zihinsel engellere, geç sözel gelişime ve “otizm benzeri” davranışlara sahiptirler (Penagarikano et al., 2007).

Annual Reviews

Kırılgan X sendromu, adını bu genetik anormalliği içeren X kromozomu parçasının mikroskop altındaki görüntüsünden alır; genellikle bir iplikle asılı ve kolayca kırılabilirmiş gibi görünür (Görsel 3). Sendrom, FMR1 (fragile X mental retardation 1: kırılgan X zihinsel geriliği 1) genindeki bir anormallikten kaynaklanır. Kırılgan X sendromu olmayan insanlarda FMR1 genindeki CGG trinükleotidi 6 ila 50 kez tekrarlanır. Buna karşın 200’den fazla tekrarlandığı bireyler tam bir mutasyona sahiptir ve genellikle sendromun belirtilerini gösterirler. Çok sayıda CGG, FMR1 geninin promotör bölgesindeki CpG adacıklarının metillenmesine neden olur, normalde bu adacıklar metil içermez. Bu metilasyon, FMR1 geninin kırılgan X zeka geriliği proteini olarak adlandırılan önemli bir proteini üretmesini engelleyerek geni kapatır. Bu spesifik proteinin kaybı kırılgan X sendromuna sebep olur. Kırılgan X’in sebebi olarak özellikle CGG genleşme mutasyonuna odaklanılmış olmasına rağmen, FMR1 metilasyonu ile ilişkilendirilen epigenetik değişiklik sendromun gerçek sebebidir.

Kırılgan X sendromu, epigenetik değişikliklere bağlı zeka geriliği ile ilişkilendirilen tek hastalık değildir. Bu türden diğer hastalıklar Rubenstein-Taybi, Coffin-Lowry, Prader-Willi, Angelman, Beckwith-Wiedemann, ATR-X ve Rett sendromlarını kapsar (Tablo 1).

Hastalıklarla Mücadelede Epigenetik Tedavi

Kanser gibi birçok hastalık epigenetik değişiklikler içerdiği için, bu değişiklikleri epigenetik tedavilerle önlemeye çalışmak mantıklı görünmektedir. Bu değişiklikler ideal bir hedef gibi görünmektedir çünkü DNA dizilimi mutasyonlarının aksine tedavi ile düzeltilebilirler. Bu tedavilerin en çok bilineni ya DNA metilasyonunu ya da histon asetilasyonunu değiştirmeyi amaçlar.

DNA metilasyonunun inhibitörleri susturulmuş genleri yeniden aktifleştirebilirler. Bu tür ilaçların iki örneği 5-azasitidin ve 5-aza-2'-deoksisitidindir (Egger et al., 2004). Bu ilaçlar sitozin nükleotidi gibi davranarak ve DNA eşlenmesi sırasında kendilerini DNA’ya katarak çalışır. DNA‘ya katıldıktan sonra, DNMT enzimlerinin çalışmasını engelleyip DNA metilasyonunu önler.

Histon modifikasyonlarını hedef alan ilaçlar, histon deasetilaz (HDAC) inhibitörleri olarak adlandırılır. HDAC'lar asetil grupları DNA’dan ayrıştıran enzimlerdir, dolayısıyla kromatini yoğunlaştırır ve transkripsiyonu durdururlar. Bu süreci HDAC inhibitörleriyle engellemek gen ifadesini açar. En yaygın HDAC inhibitörleri fenilbütirik asit, SAHA, depsipeptit ve valproik asidi içerir (Egger et al., 2004).

Epigenetik tedavinin kullanımında dikkatli olmak gereklidir çünkü epigenetik süreçler ve değişiklikler çok yaygındır. Başarılı olmak için, epigenetik tedaviler düzensiz hücreleri seçiyor olmalıdır; yoksa normal hücrelerde gen transkripsiyonunu aktifleştirmek onları kanserli hale getirebilir, bu yüzden tedaviler karşı koymaya çalıştıkları hastalıklara sebep olabilir. Bu olası sakıncaya rağmen, araştırmacılar normal hücrelere minimum zararla anormal hücreleri özel olarak hedef almanın yollarını bulmakta ve epigenetik tedavi giderek umut verici görünmeye başlamaktadır.