Rosalind Franklin, James Watson ve Francis Crick, 70 yıldan uzun bir süre önce DNA’nın yapısını, yani yaşamın moleküler planını keşfettiler. Bugün, bilim insanları hala onu okumanın yeni yollarını keşfediyorlar.

2010 yılında, tarım profesörü Jianxin Ma ve işbirlikçileri, yaygın olarak incelenen Williams 82 çeşidi üzerinde soya fasulyesi için ilk referans genomunu oluşturdular. O zamandan beri binlerce bilim insanı ve bitki yetiştiricisi, tohum proteini ve yağ içeriği, bitki mimarisi ve verimliliği ve soya fasulyesindeki hastalık direnci ve abiyotik stres toleransı gibi çeşitli özelliklerin altında yatan genetik yapı üzerine kendi araştırmalarında bu genomu kullandılar.

Son on yıldır, Indiana Soybean Alliance Inc.’in Soya Fasulyesi Geliştirme Vakfı Başkanı olan Ma, soya fasulyesi genomuna yaptığı katkı ve bu alandaki sürekli araştırma ve inovasyonu nedeniyle uluslararası alanda tanınmıştır. The Plant Cell’de yayınlanan en son çalışması , orijinal soya fasulyesi referans genomunun boşluklarını doldurmak için genomik araştırmalardaki ilerlemeleri kullanmıştır .

Ma, “Referans genomu duyurduğumuzda bir sözlük gibiydi,” dedi. “Her gen tek bir kelime gibiydi. Ancak, kritik bir bilgi parçası eksikti: bireysel genler için transkripsiyon başlatma bölgeleri .”

Transkripsiyon başlatma bölgeleri, DNA’da özel bir transkripsiyon faktörü proteininin bağlanıp önündeki genin bir mRNA kopyasını oluşturabileceği yerlerdir. Bu mRNA, her organizmanın kimyasal ve fiziksel işlevi için önemli olan daha fazla protein oluşturmak üzere bir hücrenin ribozomunda okunur ve çevrilir.

mRNA’nın DNA ipliğinde nerede oluşmaya başladığını bilmek, genlerin nasıl ifade edildiğini anlamanın önemli bir parçasıdır. Bu başlatma bölgeleri düzenleyici unsurlar içerir ve hücreye protein yapmak için her genin ne zaman ve nerede transkribe edileceği ve herhangi bir zamanda ne sıklıkla yapılacağı hakkında bilgi sağlar.

Genetikte, her genin bir transkripsiyon başlatma bölgesine sahip olduğu, bunun bir çekirdek promotör bölgesinin aşağısında ve tipik olarak bir TATA kutusu (timin ve adenin tekrarları açısından zengin bir DNA dizisi) etrafında bulunduğu genel olarak kabul edilmiştir. Ancak Ma ve meslektaşları artık bunun böyle olmadığını düşünüyor.

Ma, “Soya fasulyesinde 50.000’den fazla gen için öngörülen bir dizi transkripsiyon başlangıç ​​noktası var, ancak yeni çalışmamıza göre, öngörülen bu transkripsiyon başlatma noktalarının yalnızca %3’ünden azı doğru,” dedi.

2020’de Promoter Element Dizilemesinde Transkripsiyon Başlatma Araştırması (STRIPE-seq) tekniğinin geliştirilmesi, Ma’nın laboratuvarına tüm soya fasulyesi genomu boyunca transkripsiyon başlatma bölgelerini belirlemek için etkili, verimli, daha hızlı ve daha uygun fiyatlı bir yol sundu. Ayrıca, her mRNA kopyasının göreceli bolluğu hakkında bilgi sağladı ve bu da bir genin farklı dokularda ve zamanlarda ne kadar ifade edildiğine dair ipuçları verdi.

Ma ve laboratuvarı soya fasulyesindeki sekiz farklı dokuda STRIPE-seq analizleri gerçekleştirdi: yapraklar, gövdeler, gövde uçları, kökler, nodüller, çiçekler, baklalar ve gelişen tohumlar. Bitkinin DNA’sı bu dokularda tutarlı olsa da, genlerin ifadesi farklıdır.

Ma laboratuvarı yakın tarihli makalelerinde soyadaki yaklaşık 40.000 gen için transkripsiyon başlatma bölgelerini tanımladı. TATA kutusu bölgesinin dışında yaygın alternatif transkripsiyon başlatma bölgeleri ve promotör olduğu düşünülen diğer dizileri keşfettiler.

Yeni tanımlanan bazı bölgeler aslında bir mRNA haline gelen genin kodlama dizisinde meydana gelir. Bu nedenle, transkripsiyon faktörü proteinleri genin birkaç farklı bölümüne bağlanabilir ve her kopyası diğer bölgelerde başlatılanlardan farklı olan mRNA üretmeye başlayabilir. Her alternatif transkripsiyon bölgesi aynı genden potansiyel olarak farklı bir protein yaratabilir.

Grubun bulduğu transkripsiyon başlatma bölgelerinin özel bir alt kümesi, bitki ile Rhizobia bakterileri arasındaki etkileşimi barındıran baklagillerin köklerindeki bir yapı olan kök nodüllerindeydi. Bu toprakta yaşayan mikroplar, şeker ve koruma karşılığında baklagiller gibi özel bitkiler için azotu sabitler. Bu simbiyoz, azot gübresi kullanılmadan azot eksikliği olan topraklarda bir bitkinin hayatta kalma şansını artırır.

Ma, “Bu özel transkripsiyon başlatma bölgelerini nodüllerde bulduk, ancak köklerde veya diğer dokularda bulamadık. Bu da bunların dokuya özgü transkripsiyon için olduğunu ve nodül-özgü işlevle ilişkili olduğunu gösteriyor” dedi.

DNA’nın bir hücrenin çekirdeğine sığabilmesi için, “kromatin” adı verilen bir yapı oluşturmak üzere histon proteinlerinin etrafına sarılır. Bu histonların üzerine yerleştirilen kimyasal işaretleyicilere bağlı olarak, kromatin sıkı bir şekilde sarılabilir (transkripsiyon faktörlerinin bağlanmasını önler) veya gevşek bir şekilde sarılabilir (mRNA kopyaları oluşturmak için erişilebilir hale getirir).

Ma, bu “epigenetik” değişimlerin gen ifadesindeki alternatif transkripsiyon başlatma bölgeleriyle el ele çalıştığına inanıyor. Bir gen sıkılaştırılıp gevşetildikçe farklı transkripsiyon başlatma bölgeleri kullanılabilir hale gelebilir ve farklı proteinler yaratılabilir.

Ma, “Kodlama dizileri içinde alternatif transkripsiyon başlatma özelliğine sahip yaklaşık 7.000 gen bulduk. Bu alternatif transkripsiyon başlatma bölgeleri dokuya özgü olma eğilimindedir ve histon modifikasyonlarıyla ilişkilidir” dedi.

Evrimsel olarak, bu alternatif bölgeler soya fasulyesi ve diğer bitkiler için faydalı olmuş olabilir çünkü sınırlı bir genom altında artan karmaşıklık ve uyarlanabilirliğe izin vermişlerdir. Soya fasulyeleri, tarihleri ​​boyunca iki tam genom çoğaltma olayı yaşamıştır, ikisi de birkaç milyon yıl önce. Çoğaltılan genlerin bir kısmı o zamandan beri kaybolmuş olsa da, Ma çoğaltma olaylarının değiştirilmiş veya alternatif transkripsiyon bölgelerine yol açmış olabileceğini düşünüyor.

Ma, “Çoğaltma işleminden sonra genlerin çoğu hala çiftler halindedir; ancak farklı ifade kalıpları gösterirler ve birçoğu farklı özellikleri düzenlemek için işlevsel olarak farklılaşmıştır,” dedi. “Farklı yerlerden transkripsiyona başlarlar ve bu da işlevsel farklılaşmalarına potansiyel olarak katkıda bulunur.”

Ma şu anda USDA Tarım Araştırma Servisi bilim insanları Rex Nelson ve Jacqueline Campbell ile bu araştırma verilerini tıpkı orijinal referans genomunda yaptığı gibi başkalarının da erişimine açmak için koordinasyon sağlıyor. Grup , verileri soya fasulyesi araştırmaları için işbirlikçi bir çevrimiçi veritabanı olan SoyBase’e ekliyor.

SoyBase küratörü Nelson, “Potansiyel bir transkripsiyon başlangıç ​​noktasına sahip olmak bile soya fasulyesi gen promotör bölgelerinin analizine yardımcı olacaktır. Bu, promotörlerle etkileşime giren ve transkripsiyonu başlatan proteinler hakkında ışık tutabilir.” şeklinde açıklama yaptı.

Veritabanının eş küratörü Campbell, “Promoter bölgelerine bağlanan transkripsiyon faktörlerinin tanımlanması, araştırmacıların tarımsal açıdan önemli fenotiplerdeki genlerin karmaşık düzenlenmesinde rol oynayan gen düzenleyici etkileşim ağlarını belirlemelerine olanak tanıyacak” dedi.

Ma, “Veritabanı hem temel hem de uygulamalı araştırmalar için önemli bir kaynak görevi görüyor. Verilerimizi orada kullanıma sunarak, gen işlevlerini, düzenleyici mekanizmaları, gen ağlarını ve ilgi duyulan belirli özelliklerle ilişkili genetik varyasyonları anlamada daha fazla araştırmayı hızlandırıyoruz. Bu alternatif transkripsiyon bölgelerinin belirli özellikleri nasıl etkilediğini daha iyi anladıkça, bunun daha iyi soya fasulyesi çeşitlerine yol açmasını umuyoruz.” diyor.

Kaynak ve devamına Buradan ulaşabilirsin.