Biyokimyasal ‘DNA metilasyon’ işaretleri omurgalı hayvanlarda genom boyunca bulunur, ancak fareler ve insanlar gibi plasental memelilerin erken embriyolarında büyük ölçüde bir ‘sistem sıfırlaması’ ile silinir. Opossum embriyolarında DNA metilasyonunun araştırılması, keselilerde bu tür işaretlerin korunduğunu ortaya koymaktadır.
Soru
Genom, DNA’da ve DNA dizisini etkilemeyen ilişkili proteinlerde biyokimyasal değişiklikler olan çeşitli “epigenetik” modifikasyonlarla modellenmiştir. DNA metilasyonu, genellikle sitozin ve guanin bazlarının bitişik olduğu (CpG bölgeleri) sitozin bazlarının bağlı bir metil kimyasal grubuna sahip olduğu bir epigenetik modifikasyon türüdür. DNA metilasyonu “bastırıcı” bir epigenetik modifikasyon olarak kabul edilir çünkü genlerin başlangıcındaki metilasyon gen susturma ile ilişkilidir. Omurgalı genomlarında yaygındır ve aktarılabilir elementleri (omurgalı DNA’sının çoğunu oluşturan ‘atlama genleri’) bastırdığı düşünülmektedir.
Cinsiyet dışı hücrelerdeki neredeyse tüm CpG bölgeleri metillenmiştir. Bununla birlikte, eutherian (plasental) memelilerin cinsiyet hücrelerinde ve erken evre embriyolarında, rahim astarına implantasyondan önce DNA metilasyonu neredeyse tamamen silinir1. Bu DNA-metilasyon yeniden programlaması memeli olmayan omurgalılarda gerçekleşmez ve bu nedenle plasenta oluşumu ve genomik baskı (belirli genlerin yalnızca bir kopyasının ifade edildiği) gibi memeliye özgü özelliklerle bağlantılı olduğu öne sürülmüştür2. DNA metilasyonunun silinmesinin, yaklaşık 160 milyon yıl önce eutherian memelilerinden ayrılan keseli memelilerin3 cinsiyet hücrelerinde meydana geldiği düşünülmektedir. Bununla birlikte, implantasyon öncesi marsupial embriyolarda da yeniden programlamanın gerçekleşip gerçekleşmediği bilinmemektedir.
Keşif
Bir keseli, opossum Monodelphis domestica’nın cinsiyet dışı hücrelerde, cinsiyet hücrelerinde ve embriyolarında (döllenmeden 1-7 gün sonra) DNA metilasyonunu profillemek için düşük girişli bisülfit dizileme4 adı verilen bir teknik kullandık. 7. günde embriyo, blastosist aşamasına ulaşır, bu noktada embriyodaki hücreler ilk kez farklı kimlikler kazanır ve sırasıyla gelecekteki plasenta ve yumurta sarısı kesesini veya vücut hücrelerini oluşturan ekstra-embriyonik hücreler veya embriyonik hücreler haline gelir.
Eutherian embriyoları, döllenmeden blastosist aşamasına kadar kademeli bir DNA metilasyon kaybı gösterir, ancak opossum embriyolarında DNA metilasyonu dört gün boyunca sabit kalır (Şek. 1). Bu, döllenmeden sonra DNA-metilasyon yeniden programlamasının, marsupialler eutherianlardan ayrıldıktan sonra geliştiğini düşündürmektedir. Opossum embriyonik hücreler, 5. veya 6. günde (bu hayvanlarda blastosist aşaması) DNA metilasyonunda küçük, geçici bir azalma gösterirken, eutherian embriyonik hücreleri sürekli olarak düşük seviyelerde DNA metilasyonu gösterir. Bununla birlikte, opossum ekstra-embriyonik hücrelerde, DNA metilasyonu, eutherian ekstra-embriyonik hücrelerde görülene benzer bir kalıpta çıkarılır, bu da plasentadaki düşük DNA metilasyonu için evrimsel olarak korunmuş bir işlev olduğunu düşündürür.
Şekil 1 | Eutherian (plasental) ve marsupial memelilerin cinsiyet hücrelerinde ve erken evre embriyolarında DNA metilasyonu. Eutherians’ta (üstte), DNA metilasyon işaretleri adı verilen biyokimyasal modifikasyonlar, embriyonun embriyonik hücrelerine (gelecekteki vücut hücreleri) ve dişi embriyolarda X kromozomunun (Xi) inaktif kopyasına geri yüklenmeden önce yumurta hücrelerinde ve erken evre embriyolarda (blastosistler) silinir. Gelecekteki plasentanın hücrelerindeki DNA metilasyonu daha az ölçüde artar. Keselilerde (alt), DNA metilasyonu çoğunlukla korunur. RNA RSX’i kodlayan genin sonundaki DNA metilasyon paterni (dişi keselilerde babadan türetilmiş X kromozomunun inaktive edilmesinde rol oynayan) yumurta hücreleri (dolu ‘lolipoplar’, DNA metilasyonu) ve sperm hücreleri (açık lolipoplar, DNA metilasyonu yok) arasında farklılık gösterir. DNA metilasyonu çoğunlukla erken evre kesili embriyolarda korunur, ancak X kromozomunun inaktif kopyasında belirgin şekilde azalır ve plasentanın gelecekteki hücrelerinde daha az azalır. Kredi: Leeke, B. J. ve diğerleri. /Doğa (CC BY 4.0)
X kromozomu inaktivasyonu (XCI), dişi hayvanlarda X kromozomunun bir kopyasının susturulduğu bir süreçtir. Dişi opossum embriyolarının inaktif X kromozomunun, eutherian’dakinden farklı olarak, gelişim sırasında DNA metilasyonunu kademeli olarak kaybettiğini bulduk. Keselilerde XCI’nin, inaktif X kromozomu tarafından kodlanan ve kaplayan RSX adı verilen bir RNA tarafından kontrol edildiği öne sürülmüştür. RSX’i kodlayan gende, DNA metilasyonunun sperm ve yumurta hücrelerinde farklı olduğu bir bölge belirledik ve bu da keselilerde XCI’nin kontrolü için olası bir mekanizma olduğunu düşündürdük.
Çıkarımlar
Bulgularımız, memelilerde embriyonik gelişimin epigenetik düzenlemesinde çeşitliliği göstermektedir. Eutherian embriyolarında DNA-metilasyon yeniden programlamanın amacı belirsiz kalsa da, keseli gelişimi veya dolayısıyla memelilere özgü özellikler için açıkça gerekli değildir. Epigenetik hataların nesiller arasında bulaşmasını önlemek için DNA-metilasyon yeniden programlanması önerilmiştir5. Sonuçlarımız, bu tür değişikliklerin bu nedenle keselilerde eutherian’dan daha sık aktarılabileceğini göstermektedir.
Güney Amerika’dan gelen opossum M. domestica’yı inceledik, ancak çoğu keseli tür Avustralya’da bulunur. Opossumlardaki DNA-metilasyon dinamiklerinin Avustralya keselilerini temsil edip etmediği araştırılmalıdır.
Bulgularımız başka soruları da gündeme getiriyor. Örneğin, ekstra-embriyonik hücrelerde evrimsel olarak korunmuş metilasyon durumunun hangi işlevi yerine getirdiğini merak ettik. Ayrıca, XCI’yi kontrol etmek için olası bir DNA-metilasyon mekanizmasını tanımlamamız, keselilerde bu sürecin gelecekteki genetik veya epigenetik pertürbasyon çalışmalarını bilgilendirebilir. — Bryony J. Leeke, MRC Tıp Bilimleri Laboratuvarı’nda (LMS), Londra, Birleşik Krallık ve James M. A. Turner, Londra, Birleşik Krallık’taki Francis Crick Enstitüsü’ndedir.
Kağıdın arkasında
Bu proje, doktoram için Turner laboratuvarına katıldığımda başladı, COVID-19 karantinalarını kapsıyordu ve MRC LMS’deki doktora sonrası araştırmam sırasında tamamlandı. Bu, birçok Zoom toplantısını ve akşamları gözden geçirme deneyleri için Londra’da Francis Crick Enstitüsü’ne acele etmeyi gerektirdi. Daha da önemlisi, Wazeer Varsally’nin ortak ilk yazar olarak katılması ve Turner laboratuvarındaki diğerlerinin projeyi tamamlamak için adım atması ile harika bir ekip çalışması içeriyordu. En heyecan verici an, embriyo DNA-metilasyon dizileme sonuçlarını ilk kez görmekti. Grafik RStudio penceremde belirdi ve genomdaki metilasyon seviyelerinin erken embriyonik hücre bölünmesi sırasında sabit olduğu hemen belli oldu. Sonuçları bir laboratuvar toplantısında sunmamdan kısa bir süre önce analizi yürütüyordum, burada heyecanla verileri bir renk şeması bile olmadan çok cilalanmamış bir grafikte sundum! — B.J.L.
Kaynak ve devamına Buradan ulaşabilirsiniz.