X İnaktivasyonu: Erkeklerin Memeleri, Kaliko Kedileri ve Kadınların Çalışmayan X Kromozomu

Hepimizin bildiği gibi vücudumuzdaki hücrelerin neredeyse hepsinde 46 kromozom bulunur. Bunların 23 tanesi annemizden, 23 tanesi ise babamızdan gelir. Bu 23 çiftin 22 çifti otozomal kromozomlardır; yani vücut kromozomlarınız. Geriye kalan çift ise meşhur X ve Y kromozomlarından oluşan eşey kromozomlarınızdır. Eğer iki adet X kromozomuna sahipseniz dişi, bir adet X ve bir adet Y kromozomuna sahipseniz erkek cinsiyetine sahip olursunuz. Ancak insan dişilerinde, yani kadınlarda hücrelerde bulunan bu iki X kromozomundan sadece 1 tanesinin aktif olduğunu, diğerinin hiçbir işe yaramadığını biliyor muydunuz? Peki şöyle soralım: Sizce erkeklerin meme uçları, kadınların X kromozomu ve kaliko kedilerinin ortak noktası nedir? Embriyoloji ve genler!

Erkeklerde Neden Meme Ucu Olduğunu Hiç Düşündünüz mü?

Erkeklerde neden meme ucu var? Aslında bu konuyu şuradaki yazımızda işlemiştik; ama kısaca üzerinden geçelim: Sonuçta memelerin var olma nedeni, yavrulara süt verebilmektir. Bunun nedeni, ana rahmindeki insan gelişiminin yaklaşık ilk 6 hafta boyunca yavru "dişi olacakmış gibi" yaşanmasıdır.

Evet, ilk birkaç haftada dişi veya erkek ayırt etmeksizin vücut planı dişilerinkine göre gelişir. Yaklaşık 6. haftada ekreklerde Y kromozomunun aktive olup, testosteron salgısının başlaması sonucu erkeklere özgü penis oluşumu gibi cinsiyet özellikleri gelişmeye başlar. Ancak meme dokusu bu ilk 6 haftada çoktan şekillendiği için, erkeklerde de tam gelişmemiş bir meme dokusu görülür. Şimdi dönelim kadınlara:

X İnaktivasyonu Nedir?

Tüm memeli hayvanlarda olduğu gibi, bir memeli olan insanların da embriyolojik gelişimi sırasında dişilerde ilginç bir şey yaşanır: Embriyo yaklaşık 4 günlükken, yani oluşacak bebeğin sadece 100 kadar hücresi bulunurken, bu dişi hücrelerdeki iki adet X kromozomundan birisi susturulur. Buna X-İnaktivasyonu adı verilir. Bunun sebebi, cinsiyete özgü genlerin biri anneden, biri babadan gelen X kromozomlarında tamamen farklı nitelikte olabiliyor olmasıdır. Bunlardan birinin susturulmadığı halde dişi gelişimi düzgün tamamlanamaz.

Yaklaşık dördüncü günde olan, hücre çekirdeği içindeki iki X kromozomunun birbiriyle adeta kavgaya tutuşmasıdır. Bu moleküler bir kavgadır. Krozomomlar aracılığıyla üretilen çeşitli yapısal proteinlerin ve metil gruplarının karşı tarafı baskılaması yoluyla kazanılır. Ve nihayetinde bir taraf üstün gelir. Bu üstünlük, diğer X kromozomunun paketlenmesini sağlayan histon proteinlerinin daha da sıkı paketlenerek kromozomu ufacık bir yapıya dönüştürmesi ile sağlanır. Böylece hücre bu ufalmış X kromozomuna artık erişemez, üzerindeki genetik bilgiyi okuyamaz. İşte bu "X kromozomu inaktive edilmiştir." deriz.

Bu yazımızın başında X kromozomunun neredeyse tamamen işlevsiz olduğunu söyledik; çünkü bu inaktivasyon, genler düzeyinde %85 civarında başarılabilmektedir. Yani inaktive edilen X kromozomu üzerindeki genlerin %15 civarı işlevini korur. Bu sayede fenotip üzerinde de az sonra sözünü edeceğimiz değişimleri yaratabilir. Yani bu inaktivasyon kusursuz değildir.

Ayrıca bu durum, memeli dişilerinin X kromozomu bakımından "mozaik yapıda" olması demektir. Vücutlarındaki farklı X kromozomları, gelişim desenlerine bağlı olarak şeritler halinde vücuda dağılmıştır. Yalnız bunu lütfen evrimsel biyolojideki mozaiklik kavramı ile karıştırmayın, çünkü orada hücre popülasyonlarının genotipinde karmaşık bir dağılım görülür. Burada olan ise epigenetiktir. Mozaiklik ile ilgili daha fazla bilgiyi buradan alabilirsiniz.

Veritasium

Moleküler Düzeyde İnaktivasyon

Gen bakımından fakir olan Y kromozomunun aksine X kromozomu, düzenli gelişim ve hücre canlılığını sağlamak adına gerekli 1000’den fazla geni bünyesinde bulundurur. Fakat dişi bireylerin X kromozomundan iki adet taşıması, potansiyel olarak X’e bağlı toksik genlerin oluşumunu tetikleyebilir.

X inaktivasyonu sayesinde dişi memeliler transkripsiyon esnasında X kromozomlarından birini kompleks bir yapıya çevirerek susturur. Pasif duruma getirilmiş X kromozomu yoğunlaşarak kompakt bir yapı olan Barr cisimciğine dönüşür ve etkisizleştirilmiş halini korumaya devam eder. Hücre tarafından koordine bir şekilde gerçekleştirilen bu süreç oldukça karmaşık bir mekanizmaya sahiptir.

XIST Geninin Rolü

XIST (X kromozomuna özgü inaktif transkript) pasif durumdaki dişi X kromozomlarını özel bir şekilde sentezlemesi sayesinde keşfedilmiştir. Kodladığı RNA'nın dört önemli özelliği vardır:

1. XIST geni, protein sentezlemekten ziyade 17 kb fonksiyonel RNA molekülü üretir. Bu özelliğinden ötürü kodlama yapmayan türden bir RNA'dır.
2. XIST RNA’sı en az iki adet X kromozomu içeren hücrelerde üretilir ve normal şartlar altında erkek bireylere ait hücrelerde görülmez. Yüksek XSIT üretimine daha fazla X kromozomu içeren hücrelerde rastlanılsa da hücrenin sayım mekanizmasından ötürü yalnızca bir adet X kromozomu aktif kalabilir. Bu tür hücrelerde XSIT, bütün "fazlalık" X kromozomlarında üretilir.
3. XIST RNA'sı, yalnızca hücrenin çekirdeğinde bulunur ve üretildiği kromozomu bir örtü gibi kaplayabilme özelliğine sahiptir.
4. İronik bir şekilde XIST normal şartlar altında pasif durumda olan, yani transkripsiyon yapmaması gereken X kromozomlarından üretilir.

Buna ek olarak bir araştırmaya göre XIST RNA'sı, sürecin gerek ve yeter şartıdır. Buna ek olarak bölünen hücrenin yavrularında pasif olacak X kromozomlarını işaretlemek adına susturucu protein komplekslerini kullanır. Yüksek XIST üretimi, X inaktivasyonu süreci için önemli bir başlangıçtır ve kodlama yapmayan RNA'ların arz ettiği öneme güzel bir örnektir.

Peki XIST X kromozomlarından birinde aktifken diğerinde nasıl pasif kalabilir? XIST’in keşfinden birkaç yıl sonra, zıt yönde çalışan bir gen olan TSIX’in keşfiyle bu soru da cevaplanmıştır. TSIX, 40 kb uzunluğunda; kodlama yapmayan bir RNA’dır ve XIST’in aksi yönünde şifrelenmiştir.^[9] Tıpkı XIST gibi sadece üretildiği kromozomu etkiler, fakat XIST ifadesi ile TSIX ifadesi ters orantı gösterir. TSIX’in transkripsiyonu X kromozomlarından birinde azaldığında XIST ifadesi artar ve söz konusu X kromozomunun inaktivasyonuna sebep olur.^{[10], [11]}

Paternal X İnaktivasyonu: Babaya Öncelik Verilmesi

Yazının başlarında da bahsettiğimiz üzere X inaktivasyonunun rastgele ve baskılanmış olmak üzere iki çeşidi vardır. Baskılanmış X inaktivasyonunda babadan aktarılan X kromozomuna öncelik verilerek etenelilerin (plasentalı memeliler) plasentasında babaya ait olan X kromozomu etkisiz hale getirilir. Bu sürece, kangurular ve sıçanların dahil olduğu keseli memeliler sınıfındaki hayvanların bütün hücreleri de tabidir.^{[12], [13]}

TSIX ve XIST genlerinin her ikisi de plasentalı memelilerde gerçekleşen baskılanmış X inaktivasyonu süreci için çok önemlidir fakat ilginç bir şekilde keseli memelilerde, plasentalı memelilerdeki XIST geninin bir eşi yoktur.^{[14], [15], [16]} Bu durum, keseli memeliler grubunun XIST genini kullanmadan baskılanmış X inaktivasyonu sürecini nasıl gerçekleştirdiğine dair soruları da beraberinde getirmiştir. Sunulan argümanlardan bir tanesi, babadan kalıtılan X kromozomunun önceden susturulduğudur. Bu mekanizmaya göre mayoz bölünme esnasında her iki ebeveynden gelen X kromozomları inaktifleştirilince pasif olan X kromozomu, sonraki nesillere aktarılabilir.^{[17], [18], [19]} Bu, evrimsel bir bakış açısıyla bakıldığında dişi embriyolar için oldukça avantajlı bir durumdur çünkü dişideki X kromozomu çiftinden bir tanesi babadan aktarılacağı için dişi embriyoya dozaj dengesini sağlaması için daha pratik ve kolay bir yol sunulur.

Daha şaşırtıcı olansa bu tarz mekanizmalara ait kalıntıların fareler ve fare gibi diğer plasentalı memelilerde varlığını hâlâ sürdürüyor olma ihtimalidir. Dozaj dengelemesiyle alakalı akılları kurcalayan sorular olsa da baskılanmış X inaktivasyonun, eteneli embriyosunun ana rahmine yerleşmesinden önce gerçekleştiği bariz bir şekilde ortadadır. Bu bilgiye ek olarak keseli memeliler gibi ilkel memelilerinin yalnızca babadan gelen X kromozomunu etkisizleştirmesini, baskılanmış X inaktivasyon sürecinin evrimsel atası olarak görebiliriz.^[20] Çünkü XIST ve TSIX genlerinin ortaya çıkışından önceki dönemde baskılanmış X inaktivasyonu, plasentalı memelilerdeki rastgele X inaktivasyonunun evrimine yol açmıştır.

Rastgele X İnaktivasyonu

Rastgele X inaktivasyonu, anne ve babadan gelen X kromozomlarının etkisiz hale getirilme olasılığı eşit olduğu esnada dişi embriyoda gerçekleşir. Her bir hücre; çekirdekteki iki X kromozomundan birini aktif X, diğerini de pasif X olarak belirleme gibi zorlu bir görevle karşı karşıyadır. Bu süreç, XIST ve TSIX genleri tarafından her bir hücrede bağımsız olarak gerçekleştirilir.

Embriyonik kök hücreler, laboratuvar ortamında farklılaştırıldıktan sonra rastgele X inaktivasyonu geçirebilirler.^{[21], [22]} Bu özellikleri sayesinde embriyonik kök hücreler, alanında yapılan çalışmalarda harika bir model olarak referans alınabilir. Araştırmalarda embriyonik kök hücrelerinin ve fare embriyolarının kullanımı, rastgele X inaktivasyonunun farklı aşamalarını ayrıntılı bir şekilde gözlemleme fırsatı sunar. Buradan anlaşıldığı üzere, her bir hücre önce bulundurduğu X kromozomu sayısını belirleyip içlerinden rastgele bir tanesinin aktif kalmasına karar vererek ileride pasif olacak olan X kromozomunu susturur. Bu süreç histon varyantları ve kromatin düzenleyicileri gibi birçok özel faktörün işe dahil edilmesini gerektirir.^[23]

Hücre, kromozomlardan birini etkisiz hale getirmekle kalmayıp aynı zamanda diğer kromozomun da aktif kalmasını sağlamak zorundadır. Bu nedenle kromozomların birbirlerini gözden çıkarttıkları ortak kaderlerini belirlemek için bir çeşit iletişim kurdukları yöntemleri mutlaka olmalıdır.^{[25], [26]} İşin garip yanı, elde edilen son bulgulara göre erken gelişim döneminde kromozomlar arası protein ve transkripsiyona bağlı eşleşme aracılığıyla bu iletişim mümkündür.

Rastgele İnaktivasyonun Evrimi

Baskılanmış ve rastgele X inaktivasyonunun karşılaştırılması önemli bir soruyu gündeme getiriyor: Rahme tutunmadan önce embriyodaki bütün hücreler zaten babadan aktarılan X kromozomunu inaktifleştiriyorsa neden tekrardan rastgele bir kromozomu inaktifleştirmek için babadan aktarılan X kromozomu geri aktifleştirir?

Bir hipoteze göre rastgele X inaktivasyonu, plasentalı memelilerde X'e bağlı mutasyonlarla başa çıkabilmek için ek bir avantaj sağlamak amacıyla evrimleşmiş olabilir. Eğer babadan aktarılan her X kromozomu zaman içerisinde inaktifleştirilirse X kromozomuna bağlı gen yükü tamamen annenin üzerine kalır. Plasentalı memeliler, anneye ait X kromozomundaki olası mutasyonların etkisini azaltmak için rastgele X inaktivasyonunu geliştirmiş olabilir.

Örneğin Rett sendromunda, anneden aktarılmış X kromozomundaki MECP2 geninin mutasyona uğramış bir kopyasını taşıyan dişi yavruların (semptomlar değişkenlik gösteriyor olsa da) yaşama şansları vardır çünkü babadan gelen X kromozomundaki normal gen kopyası, bazı hücrelerde aktif kalmaya devam edebilir.^[27] Rastgele X inaktivasyonu, baskılanmış versiyonuna kıyasla mekanik açından bir bütündür. Baskılanmış X inaktivasyonu, çoğunlukla bir bütün olarak tamamlanamayan bir yapıya sahiptir. Özellikle keseli hayvanlarda mutasyonlara rağmen arada sırada normal fenotip göstermeye devam ettiği durumlar vardır.^[28]

Rastgele X inaktivasyonu oldukça etkili bir süreç olmasına rağmen plasentalı memelilere ait genlerin önemli bir kısmı (insanlar da buna dahildir) inaktivasyon sürecinden kaçarak aktif kalabilir.^{[29], [30]} Bu durum XIST RNA’sının kromozomun her yerine dağılmış olmasına rağmen gerçekleşir.

Bazı genlerin inaktivasyondan kaçabilmesi insanlarda bulunan X kromozomunun anormal sayıda olduğu durumları doğrudan etkiler. Mesela Turner ve Klinefelter sendromlarına sahip bireylerde fazladan X kromozomunun inaktifleştirilmesine rağmen gelişimsel kusurlar gözlemlenir. Bu sendromlar, X inaktivasyonundan kaçan genlerin doğru miktarda ifade edilememesine bağlanabilir.

Kaliko Kedileri ve X İnaktivasyonu

Tabii dışarıdan bakınca insanlarda böyle bir farklılık göremiyoruz; çünkü insan X kromozomunun fiziksel özelliklere etkisinde, en azından renk gibi bariz fiziksel özellikler bakımından çok büyük farklılıklar yok. Ancak kedi dostlarımızda bunu görmek mümkün. Kaliko adı verilen renkli kedileri görmüşsünüzdür.

Juan Pascual

Kaliko, 16. yüzyıldan beri kullanılmakta olan düz dikişli ve pamuklu bir kumaştır. İlk olarak Hindistan'ın Kozhikode bölgesinde üretilmiştir. Bu bölgenin adı tarihte Kolikod veya Kalikut olarak da anılmıştır. Kaliko sözcüğü de buradan gelmektedir. Bu kumaşın rengarenk dokunabilmesinden ötürü, birden fazla kürk rengine sahip kedilere de bu isim verilmiştir.

Wikipedia

Evet, bir doz tarih ve coğrafya dersi de gördük. Şimdi biyolojiye dönelim:

Kaliko, yani rengarenk olan kedilerin neredeyse her zaman dişi olduğunu da belki duymuşsunuzdur. Peki dişilerde neden rengarenk bir kürk olduğunu hiç düşündünüz mü? İşte bunun nedeni, X kromozomu inaktivasyonudur. Bu kedilerde X kromozomu üzerinde bulunan bir gen, kürk rengine etki edecek şekilde mutasyona uğramıştır. Dişi ve erkek soy hatlarında farklı şekillerde bulunan bu gen, dişi vücudunda susturulan X kromozomu dağılımına göre kedilere renk desenlerini verir.

Yani kaliko bir kedi çeşidi değildir. Belirli bir genetik dağılıma sahip olduğu için rengarenk olabilen farklı kedi çeşitlerinin genel ismidir. Örneğin Van Kedisi, Norveç Orman Kedisi, Siberya Kedisi, İran Kedisi, Arap Mau kedisi gibi birçok kedi çeşidinde kalikoluk durumu görülebilir. Neredeyse hepsi dişi olur diyoruz, çünkü bazı nadir durumlarda erkekler de kaliko olabilirler. Ancak bu durumun oluşabilmesi için erkeğin XY kromozomu yerine XXY kromozomuna sahip olması gerekir. Yani bir kromozomal çoklanma mutasyonu yaşanmalıdır.

X İnaktivasyonunun Diğer Etkileri

Memeli hayvanlarda X inaktivasyonu açısından ilginç bir diğer durum, yukarıda da bahsedildiği gibi insanlar gibi plasentalı memeliler ile kangurular gibi keseli memeliler arasında görülmektedir. Söylediğimiz gibi biz plasentalı memeli hayvan türlerinde X inaktivasyonu rastgele yaşanır. Keseli memelilerde ise neredeyse her zaman erkekten gelen X kromozomu susturulur. Bu durum, evrimsel soy hatlarında meydana gelen ufak değişimlerin tüm torun türlere nasıl aktarıldığına yönelik harika bir örnektir.

Ayrıca kadınlar üzerinde yapılan bir çalışmada, kadınların %5 ila 20'si arasında bu inaktivasyonun rastgelelikten saparak belli bir kromozomun daha yaygın olarak susturulmasına sebep olur.

Bunun en ekstrem örneklerinden birisi 2015'te yaşandı: Tek yumurta ikizi olan iki kız kardeşten biri, X kromozomu üzerinde taşınan ve genetik bir hastalık olan Menkes Hastalığı sonucu 3 yaşındayken öldü. Diğer ikiz ise, birebir aynı genetik yapıda olmasına rağmen, hiçbir semptom göstermeden yaşamına devam etti. Bu ikizlerden birinde çoğunlukla annenin X kromozomu daha baskın olarak susturulmuşken, diğerinde çoğunlukla babanın X kromozomu susturulmuştu. Dolayısıyla birebir aynı genetik yapıya sahip olmalarına rağmen, sadece birinde bu hastalığa dair genler okunarak proteine dönüştürülmüş ve sadece ikizlerden sadece biri ölmüştür.

AJMG

X İnaktivasyonu ve Epigenetik

Göreceğiniz üzere genler, sadece size gelişleri sonucu edindiğiniz özelliklerden ibaret değillerdir. Bir genin susturulması veya aktive edilmesi de sonucu doğrudan etkiler. İşte bir genin bireyin içinde nasıl değiştirildiğini, nasıl susturulduğunu, ne şartlar altında okunduğunu inceleyen bilim dalına epigenetik adı verilir.

Epigenetik sayesinde biliyoruz ki, ebeveynlerinizin ve hatta onların ebeveynlerinin yaşam tarzları, sizin sağlığınızı ve genlerinizi doğrudan etkileyebilir! Örneğin sigara tüketimi veya karsinojen besinlerle olan etkileşiminiz, hatta strese ne kadar maruz kaldığınız, yavrularınızın sağlığını ve yaşantısını doğrudan etkiler.

Yani hayatınızı nasıl yaşadığınıza çok dikkat etmelisiniz; çünkü çocuklarınıza aktaracağınız şey sadece genetik yapınız değil, o genlerin nasıl işlendiği de olacak. 

X İnaktivasyonu Üzerine Yapılan Araştırmaların Geleceği

X inaktivasyonu üzerine 50 yıla aşkındır çalışmalar yapılıyor olsa da açıklık getirilememiş birtakım sorular hâlâ mevcuttur. Mesela hücre kaç tane X kromozomunu kullandığını nasıl doğrulayabiliyor? Ya da kromozomu moleküler düzeyde susturmayı nasıl başarabiliyor? Neden kodlama yapamayan RNA’lar inaktifleştirme sürecinde bu kadar büyük bir öneme sahip? Bazı önemli genler, XIST’in pasif X üzerindeki baskıcı etkisinden nasıl kaçabiliyor?

X inaktivasyonu üzerine yapılan çalışmalar kanser biyolojisine yeni bakış açıları kazandırabilir. Örneğin, insana ait birçok meme ve yumurtalık tümöründe iki adet aktif X kromozomu bulunmuştur.^[31]

Tüm bunlara ek olarak, X inaktivasyonu sürecine dair bilgiler, X’e bağlı genlerin de ötesine geçerek baskılanmış genlerle alakalı bozukluklar üzerinde de uygulanabilir. Söz konusu genler yalnızca bir ebeveynden kalıtılmış ve genelde kodlanamayan RNA’lar tarafından düzenlenebilen genlerdir.^[32] X inaktivasyonu, DNA diziliminde herhangi bir değişikliğe gidilmeden kararlı gen ifadesini düzenleyen mekanizmaları bütünüyle kapsayan epigenetik ve gelişimsel süreçleri anlamak için biçilmiş bir kaftandır. Bu alanda yapılacak olan araştırmalar bize gelişim biyolojisinden hastalık genetiğine kadar geniş bir yelpazede önemli bilgiler sağlayacaktır.