Vücudumuzdaki Trilyonlarca Saat, Zamanı Nasıl Tutuyor?

Carrie Partch, ilk keşfi yaptığı zaman doktora sonrası döneminin sonlarındaydı. Yapısal biyolog Partch, insan proteinlerinden oluşan bir veri tabanını gözden geçiriyor ve bu proteinler ile üzerinde çalıştığı proteinler arasında benzer noktalara sahip olanları not ediyordu. Partch şöyle söylüyor:

Hızlı bir şekilde göz gezdirirken, 'Bunların hepsini biliyor olmalıyım.' diye düşünüyordum. Ardından karşıma bu protein çıktı, daha önce hiç görmediğim farklı bir alan mimarisine sahipti.

PASD1 adı verilen ve işlevi bilinmeyen bu proteini daha yakından araştırdı. Bunun, az sayıdaki protein arasından, CLOCK olarak adlandırılan bir proteine benzediğini buldu. Bu durum ona daha fazla cesaret verdi çünkü CLOCK, çok geniş ve gizemli bir işleyişin merkezinde duruyordu.

Vücuttaki neredeyse her dokuda bulunan her bir hücrenin zamana bağlı olarak işlev gördüğü zaten biliniyordu. Her 24 saatte bir, biyokimyasal bir borazan çağrısına cevap veren bir tutam protein, hücre çekirdeğinde bir araya gelmektedir. Genom üzerinde birbirlerine bağlandıkları zaman, eşsiz bir ekip haline gelirler: Bu ekibin etkisi altında binlerce gen, proteinlerin ifade edilmesi için okunur. Hücrenin dişlileri aniden harekete geçer, doku canlanmaya başlar ve bizler sabah gözlerimizi açtığımızda (organizmal seviyede) kendimizi kahvaltı için biraz acıkmış hissederiz.

İşaretçilerinin bazılarını beynin ışığa ve karanlığa yanıt veren bir bölgesinden alan ve buna göre çalışan bu protein bileşikleri, sirkadyan saatleri olarak bilinmektedir (Sirkadyan: 24 saatlik bir döngüde meydana gelen biyolojik işlemler). Bazı tahminlere göre bunlar, vücuttaki genlerin yüzde 40'ının ifadesini düzenlemektedir.

Araştırmacılar her geçen gün sirkadyan saatlerinin cenin gelişiminden hastalığa kadar herşey üzerinde derin etkilere sahip olduğunun bulgularına ulaşıyorlar. Sirkadyan saatleri o kadar yaygın ve bireysel hücrelerin işlevi için o kadar önemli ki, yaptıkları araştırmaların biyolojik saatle olan ilgisini açık bir şekilde ortaya koyamayan biyologlar, bunun kendi çalışmalarını nasıl etkileyebileceğinin farkına henüz varıyorlar. Harvard Tıp Okulu'nda bir moleküler biyolog olan Charles Weitz şöyle söylüyor:

Biyolojik saat konusu giderek daha fazla araştırmacının karşısına çıkıyor ve bu beni şaşırtmıyor.

Saatin bulunmadığı çok az hücre var, fakat bunlar ilkel kök hücreler ile kanser gibi biyolojik olarak zorlayıcı örnekleri içeriyor. Partch, moleküler saatin nasıl çalıştığını (ve bazen neden duruyormuş gibi göründüğünü) anlamak amacıyla PASD1'i daha yakından incelemeye karar vermiş. Kendisi ve meslektaşlarının yakın zaman önce Molecular Cell bülteninde yayınlanan bir tezde gösterdikleri üzere, PASD1 belki de, vücuttaki trilyonlarca diğer hücreyi yöneten günlük ritimlerin dışında kalan kanserler ve sperm öncüleri gibi hücrelerin birbirinden ne kadar farklı olduğunu açıklayan bir anahtar olabilir. Bu durum araştırmacılara, bir hücrenin işleme şeklinin sırlarına derinden bakma imkanı sağlıyor.

İnek Sayesinde Bulunan Saat

Bitkilerin ve hayvanların günlük döngüsü, bin yıllar boyunca bir cazibe kaynağı olmuştur, fakat yaklaşık 50 sene öncesine kadar bunun altında yatan biyokimyaya dair araştırmalar pek başarı getirememişti. Çoğu kişi bu alanın kurulmasını, araştırmacıların 24 saat ritimlerine neyin sebep olabileceği hakkında tartıştığı ve kuramlarını sınamak için deneyler tasarladığı, 1960 yılının yazında Cold Spring Harbor'da yapılan bir toplantıya dayandırıyor.

30 yılın ardından araştırmacılar; meyve sinekleri, hamsterlar, mayalar ve bunun gibi olağandışı günlük döngülere sahip mutasyon geçirmiş canlılar üzerinden normal bir ritim için gerekli olan genleri ortaya çıkarmaya başladılar. Biyolojik saat konusunda başı çeken araştırmacılar olan Ronald Konopka ve Seymour Benzer'in, doğal döngüleri 19 veya 28 saat olan - yani belli bir ritmi olmayan - sinekler üzerinde yaptıkları çalışmalar, ilk önemli saat geni ailesini 1971 yılında keşfetmelerine yol açtı.

Araştırmacılar, gün içindeki seviyelerinin yükselip düştüğünü bildiğimiz bu saat geni ailesine "per" adını verdiler. Sadece bir yıl sonra bu araştırmacılar, beyindeki üst kiyazmatik çekirdek adı verilen küçük bir hücre bölümünün memelilerde 24 saatlik ritim için gerekli olduğunu bildirdiler.

Ancak ritmin etkilerinin ne kadar yaygın olduğu ve vücuttaki her şeyi ne kadar derinden etkilediği epey bir zamandır belli değildi. Şimdi Cenevre Üniversitesi'nde bir moleküler biyoloji profesörü olan Ueli Schibler 1988 yılında genlerin proteinlere kopyalanmasını yöneten hücresel etmenler (transkripsiyon etmenleri) üzerinde çalışıyordu. Kanadalı bir doktora sonrası öğrencinin fareler üzerine çalışırken tecrit ettiği bir etmen, bilhassa, epey güçlü görünmüştü. Keşiflerini Cell bülteninde beraber yayınladılar.

Bununla beraber, üç ay sonra Jerome Wuarin adlı bir öğrenci projeyi devraldı. Wuarin, az bir süre sonra, bazı rahatsız edici haberlerle Schibler ile temasa geçti. Schibler, Wuarin'in şöyle dediğini hatırlıyor:

Bu tezi geri çekmelisiniz. Bunların hepsi sahte. Böyle bir şey yok.

Wuarin tecridi gerçekleştirdiği zaman, transkripsiyon etmeni ortaya çıkmamıştı. Endişeleri ciddiye alan Schibler, işlemi kendi başına denedi ve transkripsiyon etmenini kolayca buldu.

Birkaç hafta sonra Wuarin bu etmeni kendisinin neden bulamadığının farkına vardı: O ve doktora sonrası araştırmacı, tecrit işlemini günün farklı zamanlarında yapıyorlardı. Doktora sonrası araştırmacı sabah geç kalkıyordu, genelde sabah 11 civarı geliyordu, fareleri kesiyor ve transkripsiyon etmenini öğleden sonra elde ediyordu. Schibler şöyle açıklıyor:

Wuarin'in babası çiftçiydi. Wuarin saat 5'te kalkar, inekleri sağar ve ardından laboratuvara gelip fareleri 7'de keserdi. Tabii o zaman, bu proteinler orada olmuyordu.

Şimdi biliniyor ki, bu transkripsiyon etmeninin seviyeleri her gün neredeyse sıfırdan başlıyor ve sabah tespit edilmeyi imkansız hale getiriyor, ardından 300 kat yükseliyor ve doktora sonrası araştırmacı için gün ortasında bulunmayı kolaylaştırıyor. Schibler, laf aramızda alaycı bir şekilde, daha önceden hiç kimsenin gün içinde bundan daha çılgın bir şekilde dalgalanan bir protein bulamadığını belirtiyor. Bunu bulmak kendilerine kısmetmiş.

Araştırmacıların 24 saatlik ritimleri ile farelerin 24 saatlik ritimlerinin birbirini etkilemesi sonucunda proteinin gözden kaybolmuş gibi göründüğü bu keşiften sonra Schibler, günlük ritim ve bununla ilintili transkripsiyon kontrolü üzerinde daha yakından çalışmaya koyuldu. 1998'de kendisi ve meslektaşları beklenmedik bir şey buldular. Yıllardır, sadece üst kiyazmatik çekirdek hücrelerinin kendilerine ait saatlerinin olduğu ve bu hücrelerin vücudun geri kalanındaki tüm ritimleri uzaktan yönettikleri düşünülüyordu.

Fakat Schibler ve meslektaşları ritim için bir beyne ihtiyaç olmadığını buldular. Aslında vücuda da ihtiyaç yoktu... Nesiller boyunca petri kaplarda yetiştirilmiş olan iki tür fare hücresi, tamamen kendi başlarına genleri ritmik olarak ifade ediyordu. Diğer pek çok çalışma gibi Schibler'in takımının çalışması da vücut saatlerinin, sanılandan daha geniş ölçüde yayılmış olduğuna işaret ediyordu. 

O zamandan beri karaciğer hücrelerinin, kalp hücrelerinin, akciğer hücrelerinin (Charles Weitz'in deyimiyle, "neredeyse baktığımız her dokunun") üst kiyazmatik çekirdekten aldıkları işarete ek olarak kendi zaman tempolarının bulunduğu ortaya çıktı. Salk Enstitüsü'nde biyolojik saat araştırmacısı olan Satchin Panda şöyle diyor:

Vücudumuzdaki neredeyse her hücrenin bir sirkadyan saati var. Her hücrenin ne zaman enerji kullanacağını, ne zaman dinleneceğini, ne zaman DNA'yı onaracağını veya DNA'yı kopyalayacağını anlamasına yardımcı oluyor.

Panda'nın bulduğuna göre, saç hücreleri bile her akşam belli bir zamanda bölünüyor. Bu nedenle, radyasyon tedavisinin kanser hastalarına sabah yerine akşam vaktinde verilmesi onların saçlarının daha az dökülmesini sağlayabilir.

Araştırmacılar son 15 yılı, vücudu çevreleyen bu saatlerin, bilindikleri şekliyle "çevresel saatlerin", moleküler bileşenlerini çözmek için harcadılar. İleriye dönük en büyük adım ise 2004'te geldi. Teksas Southwestern Üniversitesi'nde şu anda bir profesör olan Joseph Takahashi'nin önderlik ettiği bir takım, parlayan bir PER proteinine sahip fareler geliştirdi. PER ifade edildiği zaman bu farelerden alınan hücreler parlak; ifade edilmediği zaman karanlık oluyor. Bu gelişme, saatin döngüsünü sayısız farklı dokuda ve koşulda izleyen çalışmalara olanak sağladı. 

Araştırmacılar çevresel saatlerin, üst kiyazmatik çekirdek içindeki saatte olduğu gibi CLOCK ve BMAL1 adı verilen bir proteine dayalı olduklarını buldu. Bu çift birbirlerine sıkıca bağlanarak genoma ekleniyor ve per dahil civardaki genleri kopyalamaya başlamaları için diğer proteinleri görevlendiriyor. Bu genlerin çoğu belli fizyolojik ritimlerin ardında bulunuyor: Örneğin, yemek zamanı civarında karaciğer enzimlerinin üretimi ve kan basıncının günlük yükselişi ve düşüşü gibi.

Fakat PER dahil bazı proteinler eş ağırlık görevi görüyorlar. PER ve ortakları, 12 saatlik bir süre boyunca hücrede aşamalı olarak artarken, CLOCK ve BMAL1'in etkinliğini kısıtlıyorlar. Sonraki 12 saat boyunca eş ağırlıklar yavaşça azalıyor ve CLOCK ile BMAL1 yeniden yükseliyor. Pensilvanya Üniversitesi'nden kronobiyolog (güniçi ritim biyoloğu) olan John Hogenesch'in bulduğuna göre, şafak vaktinden ve alacakaranlıktan hemen önce gen ifadesinin "yoğun olduğu saatler" var ve bu saatlerde vücut, aydınlıkta ve karanlıkta farklı hayatta kalma gereksinimleri için kendini hazırlıyor olabilir.

Bu düzenli, kendi kendini yöneten yapıyı birçok yerde bulunan bir şey olarak adlandırmak kulağa cazip gelebilir. Fakat bu çalışmalar herşeyin bir saati olmadığını da ortaya çıkardı. Örneğin, neredeyse her hücre türüne dönüşebilen embriyonik kök hücrelerin bir saati yok. Test edilen organlar arasında neredeyse tek başına kalan testisler de bir saate sahip gibi görünmüyor. Ayrıca, çoğu kanser hücresi düzenli bir ritim tutmuyor. Bu şeylerin ortak özelliği ne olabilir? Bu soruya Partch'in keşfi cevap veriyor.

Saat Nasıl Durur?

Partch'in PASD1 hakkında ilk öğrendiği şeylerden biri, onun çok az dokuda ortaya çıktığıydı. Fakat ortaya çıktığı yerler şaşırtıcı: testisler ve kanserlerde ortaya çıkıyor. Partch Santa Cruz Kaliforniya Üniversitesi'nde bir profesör olduğu zaman, o ve öğrencileri parlayan PER ile donanmış hücrelere PASD1 eklemeye başlamışlar. Hücrelerin olağan ışığının zayıf bir ışığa doğru azaldığını, bu durumun, PASD1'in saatin normal işleyişiyle çatıştığını gösterdiğini bulmuşlar. Üstelik ne kadar PASD1 eklerlerse, hücrelerin o kadar sönük olduğunu bulmuşlar.

Ardından Partch ve öğrencileri, parlayan PER içeren hücreler üretmişler ve tüm hücresel saatleri eşitlemişler. Parlaklık, bir sinüs dalgası gibi, hücreler eşitlenik kaldığı müddetçe, belirli tepe noktaları ve çukurlarla 24 saatlik bir dönem boyunca parlayıp sönükleşmiş. Ardından Partch, bu hücrelerin bazılarının PASD1 üretmesini sağlamış. Bu hücrelerde parlaklık bir dalgadan çok yalpalama haline gelmiş (alçak tümsekler ve sığ çukurlar şeklinde) ve çok az bir süre sonra da gözden kaybolmuş. Yani, hücreler ritimlerini sürdürememiş. 

Takım şimdi hâlâ PASD1'in hücrelerin döngüsüne tam olarak nasıl bir dur çağrısı yaptığını belirlemeye çalışıyor. Fakat bu proteinin özel bir bölümü onlara bir ipucu veriyor. PASD1'in bu kısmı, sirkadyan ritimleri için kesinlikle gerekli olan CLOCK'un bir bölümü gibi görünüyor. Partch, "bugüne kadar henüz kimse bunun tam olarak ne yaptığını bulamadı," diyor. PASD1'in bu önemli kısmının nasıl çalıştığını anlayarak (belki, örneğin, BMAL1'e bağlanması suretiyle CLOCK'un ona bağlanmasını önleyerek), CLOCK'un bu kilit nitelikteki parçasının ne tür bir görevi olduğunu öğrenebileceklerini umuyor.

Çalışma bu zamana kadar Partch'in PASD1'in saati durdurabileceğine dair ilk önsezisini doğruladı. Çalışma aynı zamanda PASD1'in, mevcut olduğu dokularda hücrelerin neden dalgalanmadığına bir cevap olabileceğine işaret ediyor. Bu bulgu daha derin sorulara da kapı aralamıyor değil: Saatin, hücresel davranışın pek çok halini yönlendirdiği ve saat genlerindeki mutasyonun hastalığa sebep olduğu biliniyor (örneğin, kanserlerde ve metabolik bozukluklarda payları var). O halde neden bazı hücre çeşitlerinde bir saat yok veya zayıf bir saat var? Partch şöyle söylüyor:

Görünüyor ki, bazı kusursuz pluripotentler (yani, her tür hücre türüne dönüşebilme yeteneği) ile saatin çalışması arasında gerçekten ilginç ve henüz keşfedilmemiş bazı bağlantılar var.

Kazuhiro Yagita'nın laboratuvarında embriyonik fare kök hücrelerinin gelişime teşvik edildiği deneyleri anlatıyor.

İlk başlarda, 'haydi ama, haydi, tıkla, tik takla artık' diyorduk... Derken, bu hücrelerin farklılaştığı bir noktada saat ortaya çıktı.

İşlem tersine döndürüldüğü zaman saat kapanıyordu.

Partch, kök hücrelerde bir saatin olmamasının, muhtemelen, saat tarafından idare edilen belirli genlerin dokudan dokuya fazla değişkenlik göstermesi yüzünden olduğunu tahmin ediyor. Charles Weitz'in laboratuvarındaki çalışmanın gösterdiğine göre karaciğer ve kalp dokuları, günlük olarak dalgalanan genlerin sadece yüzde 8 ila 10'unu paylaşıyor. Partch, kök hücrelerin aynı anda hem herşey hem de hiçbir şey olmak zorunda olduklarını belirterek şöyle diyor:

Belki ne olduğunu henüz bilmeyen bir hücrede bir saatin olması uygun bir durum değildir.

Bu görüş, kök hücre öncülerinin olgun spermlerden sayıca üstün olduğu ve PASD1'in görüldüğü testisleri dahil edebilir. Partch diğer kök hücrelerde PASD1'e henüz bakmadı. PASD1'in bilinen diğer adresi olan kanserlerde ise bu proteinin mevcut olma sebepleri büyük ihtimalle farklı. Çalışmaya katılmamış olan Hogenesch şöyle söylüyor:

Saatin en katı tümörlerde neden işlevsel olmadığının sebebi şu olabilir: Eğer siz bir tümörseniz ve sürekli bölünmeye devam etmek istiyorsanız, belki günün bir zamanında bölünmekle sınırlanmak istemeyebilirsiniz. Belki saati bozmanın (en azından tümörler için) evrimsel bir üstünlüğü vardır ve böylece günün belirli bir zamanında bölünmek için dürtüklenmek yerine yeterli kaynaklara sahip oldukları zaman bölünebiliyorlardır.

Partch'in takımının bulduğuna göre iki kanser hücresi hattında PASD1'in üretimine müdahale etmek, onların dalgalanmalarını daha güçlü ve daha düzenli hale getiriyor. Bu durum, gelecekteki çalışmalarda, PASD1'i alt etmenin aynı zamanda kanser hücrelerinin kontrol dışı çoğalmasını dizginleyip dizginlemediğine bakılması gerektiğine işaret ediyor.

Sonuç olarak araştırma, daha temel bir şeyi aydınlatmalı. Partch şöyle diyor:

PASD1'in saat işlevine nasıl müdahale ettiğini anlamak, saatin nasıl çalıştığını bilmemizi sağlayacak.

Kendisi ve takımı, tıpkı saatin ilk başlarda sanılandan çok daha fazla işlemi etkilediğinin anlaşılması gibi, PASD1'in de belki sadece CLOCK ve BMAL1'e müdahale etmekten daha fazlasını yapıyor olduğunu anlayacaklar. Zaman içerisinde...