Kolon Kanseri Hücrelerinde Görülen Epigenetik Değişiklikler

Epigenetik Nedir ?

Kolon kanserinde belirlenen epigenetik değişikliklere başlamadan önce epigenetik hakkında kısa bir bilgi vermek anlatacağım kısımın daha kolay bir şekilde anlaşılacağını düşünüyorum. Öncelikle epigenetik nedir ? sorusunun cevabı ile başlıyorum.

Epigenetik; DNA dizisindeki değişikliklere bağlı olmaksızın gen ekspresyonundaki kalıtsal değişiklikler olarak tanımlanmaktadır. Gen ifadelenmesinin ya da gen ekspresyonunun epigenetik mekanizmalar ile düzenlenmesi normal hücrelerde özellikle embriyonik gelişim, genomik imprinting ve doku farklılaşmasında iş görür.

Temel olarak epigenetik düzenlenme ile kromatin yapısının paketlenme durumunu düzenleyen faktörler etkilenir. Bunun sonucu olarak kromatin yapısının açık veya kapalı olup olmayacağının kararı verilerek transkripsiyonu yapılacak ya da yapılmayacak olan genler belirlenir. Genel olarak açık, gevşek kromatin yapısı sonucunda gen ifadelenmesi olurken, kapalı yada sıkı paketlenmiş kromatin oluşması durumu ise genin inaktivasyonu ile ilişkilidir.

Normalde epigetik mekanizmalar kontrol altında tutularak hücre için hayati olan fonksiyonların gerçekleştirilmesinde iş görür. Ancak kanser hücrelerinde epigenetik kontrolün normal bir şekilde yapılamaması, epigenetik özelliklerin kanser oluşumunu etkilemesini ya da kanserli hücrelerin çoğalmasını daha da kolaylaştıran bir özellik olarak ortaya çıkmaktadır.

Epigenetik Mekanizmalar

1) DNA’da sitozin bakımından zengin olan CpG adalarındaki sitozin metilasyonu.

2) DNA’nın paketlenmesinde işlev gösteren histon proteinlerinin modifikasyonu (post-translasyonel histon modifikasyonu olarak da bilinir)

3) mikroRNA’lar ve diğer protein kodlamayan regülatör (düzenleyici) RNA’lar.

4) Nükleozomların konumlandırılması (nucleosome positioning)

Bu mekanizmalardan günümüzde üzerinde çok sayıda  araştırma yapılmış ve en iyi anlaşılmış olanı DNA metilasyonu olarak da bilinen CpG adalarındaki sitozin metilasyonudur.

DNA Metilasyonu

CpG adalarındaki sitozin metilasyonu, bir kovalent bağ ile sitozin nükleotidine bir metil grubu (CH3) ilavesi ile gerçekleşir ki bu durum DNA metilasyonu olarak da adlandırılır. Memelilerde, CpG bölgelerinin büyük bir miktarı (%90-98) metillenmiş durumdadır. Ancak CpG açısından zengin olan çoğu dizi metile edilmez (CpG adaları). İmprint edilen genler, promotörlerindeki CpG adalarının metilasyonu ile kontrol edilir. Bu metilasyon işaretleri replikasyon esnasında hücre bölünmesiyle yeni hücrelere aktarılır. 

DNA metilasyonunu gerçekleştiren enzimler, DNA metil transferaz (DNMT) olarak adlandırılır. DNA metiltransferaz enzimleri metil grubu vericisi olarak S-Adenozin metiyonini (SAM) kullanarak, metil grubunu DNA'da CpG dinükleotidlerindeki sitozin bazının 5' atomuna kovalent bağ ile aktarırlar. 

DNA metilasyonunu yapan DNA metiltransferaz enzimlerinin farklı tipleri bulunur (DNMT1, DNMT3a ve DNMT3b gibi). DNMT1 var olan metilasyonun devam ettirilmesini sağlarken, DNMT3a ve DNMT3b ise de novo metilasyon yapılmasını ile ilgilidir. Gen metilasyon kalıpları embriyonik gelişim esnasında de novo metilazlar olan DNMT3a ve DNMT3b tarafından oluşturulur.

Normal hücrelerde; 

CpG dinükleotidlerinin çoğunluğu metile edilmiş haldedir, buna karşılık CpG adaları olarak bilinen özel diziler ise metile edilmemiş bir halde bulunur. CpG adalarının, genomun diğer bölgelerindeki CG dinükleotidlerinden ayıran belirli özellikleri vardır. Buna göre;

1) CpG adalarının uzunluğu 200-500 baz çifti (bç) arasındadır

2) GC içerikleri %50'nin üstündedir.

3) Gözlenen ve beklenen CpG lerin birbirine oranı 0.6'dan büyüktür.

Yukarıda verilen koşulların sağlanması durumunda CpG adasının varlığından bahsedilir aksi taktirde CpG bakımından zengin diziler olarak ya da CG zengin diziler olarak isimlendirilir. 

CpG adaları genlerin %60-70'inin promotör bölgelerinde bulunur ve normal hücrelerde metilasyonsuz halde olma eğilimindedirler. Ancak kanser hücrelerinde bu durum değişerek belirgin bir şekilde metillendiği görülmektedir. Promotördeki CpG adalarının metilasyonu ilgili genin transkripsiyonel açıdan baskılanmasını sağlar. 

Metilasyon promotör bölge dışındaki CpG zengin dizilerde de olur. Bu bölgelerdeki metilasyon durumu genel gen metilasyonu olarak bilinir ve transkripsiyonel aktivasyon ile ilişkilidir.

Kolon kanserleri hücrelerinde ve normal hücrelerdeki metilasyon durumunun karşılaştırılması. İçi boş yuvarlaklar metilasyonun olmadığını, içi dolu yuvarlaklar ise metilasyonun olduğunu göstermektedir.

Memeli hücrelerinde DNA metilasyonu gen ifadelenmesini, gen ekspresyonunu düzenleyen normal bir durumdur ve memeli hücrelerinin promotör bölgeleri dışında kalan CpG bölgelerinin çoğu fazla miktarda metilasyon taşır başka bir ifade ile hipermetile edilmiş durumdadır.

Normal hücrelerde metilasyonun önemini örneklendirecek olursak X-kromozomu inaktivasyonu ve genomik imprinting yapılan genler verilebilir. Bu işlemlerin gerçekleşmesinde metilasyon esas mekanizmadır. 

Hücrelerde DNA metilasyonunun diğer önemli rolleri ise, sentromerik tekrar dizilerinin, transpozonların ve diğer endoparazitik dizilerin baskılanmasını sağlamaktır. Bu dizilerin baskılanması genomik kararlılığın sağlanması ve devam ettirilmesinde önemlidir. Genomik kararsızlık durumu hücre ve organizma için istenmeyen sonuçlar ortaya çıkartmaktadır.

Konu ile ilgili olarak Kolorektal Kanser ile Kolon Kanseri Sitogenetiğinden bahsettiğim  Kolorektal Kanser Sitogenetiği başlıklı sayfaya bakabilirsiniz.  

Promotör hipometilasyonu ya da metilasyonun düşük olması gen transkripsiyonundaki (genden mRNA sentezi) artış ile ilişkilidir. DNA hipermetilasyonu promotör bölgelerdeki spesifik dizilerde yapılır veya tekrarlayan dizilerde gerçekleşir. Tümör baskılayıcı genlerin promotörlerindeki CpG adalarında sitozin metilasyonunun yoğun bir şekilde olması transkripsiyonu engeller ve çeşitli kanser hücrelerinde bu mekanizma aracılığı ile tümör supressör genlerin inaktivasyonu gerçekleşir. 

Epigenetik değişiklikler kolorektal kanserlerde dâhil olmak üzere çeşitli kanserlerin karakteristik özelliğidir. Diğer epigenetik değişiklikler daha öncede belirtildiği gibi histon modifikasyonlarıdır. Ayrıca küçük kodlamayan RNA'lar (mikroRNA veya miRNA) aracılığı ile genlerin baskılanmasıyla ilişkili mekanizmalarda kanserlerin gelişiminde önemlidir.

CpG adalarında yapılan metilasyonun transkripsiyonel baskılanmaya yol açmasının altında yatan nedenlerden biri cis etkili transkripsiyon faktörlerinin DNA'ya erişimini kısıtlamasıdır. Bu transkripsiyon faktörlerine örnek olarak  AP-2, CREB, E2F, CBF ve NF-KB verilebilir.

Diğer bir mekanizma ise kromatin yapısını düzenleyen enzimler ile etkileşimi sonucunda gerçekleşmektedir. DNA metilasyonu sonucunda kromatinin paketlenmesini daha yoğun bir hale gelmesini sağlayan enzimler metilasyon bölgelerine toplanarak ilgili bölgenin daha yoğun bir şekilde paketlenmesini sağlar. Bu proteinlerden bir kısmı metil-bağlanan proteinler olarak isimlendirilir.

Metil-bağlanan proteinler, metile edilmiş DNA'ya tüksek bir affinite ile bağlanır ve bu bölgelere bağlanmalarını takiben, kromatin yapısını değiştiren bir seri olay tetiklenir. Bu sırada histon modifikasyonları (histon metilasyonu, histon asetilasyonu gibi) ve kromatin yeniden yapılandırma proteinleri, metilasyon içeren DNA bölgesine toplanarak kromatinin daha kondense hale gelmesini sağlar. Bunun sonucunda da transkripsiyon faktörlerinin DNA'ya erişimi engellenmiş olur.

Tüm bu bilgiler ışığında anlaşılacağı gibi DNA metilasyonu, histon modifikasyonu ve kromatin yapısı arasında karşılıklı etkileşimler oldukça karmaşıktır. DNA metilasyonu kromatin yapısını etkileyebileceği gibi, kromatin yapısı da DNA metilasyon durumunu etkileyebilir.

Histon modifikasyonları ile DNA metilasyonu arasında karşılıklı etkileşim olması nedeni ile hatalı DNA metilasyonu kromatin yapısını ve gen ekspresyonunu değiştirebilir. Histonları modifiye eden enzimlerin bir mutasyon sonucunda kontrol edilemez hale gelmesi de hatalı DNA metilasyonuna neden olabilmektedir. 

Tüm bu olayların hatalı bir şekilde meydana gelmesi ile kolon kanseri, rektum kanseri, meme kanseri, akciğer kanseri ve mide kanseri gibi sık gözlenen kanserler gelişmektedir.

DNA metilasyonu ve diğer epigenetik değişiklikler ile ilgili daha detaylı bilgi ilerleyen günlerde siteye eklenecektir. Lütfen takipte kalın..


Kolon kanserinde epigenetik değişiklikler ile ilgili diğer yazılar:

Kolon Kanseri Metastazında DNA Metilasyonunun Önemi

Kanser hücrelerinde hatalı DNA metilasyonu nasıl gerçekleşir ?

DNA Metilasyonu ve Kanser