2019 Nobel Tıp Ödülü

Oksijen
Biyokimya
Düzenleme
Biyokimyasal yollar
Yorumlar

Tuğrul Güven Erturun

Bilim, sanat, horoloji yazarı

Bu yılki Nobel Tıp Ödülü, insan vücudunun oksijen seviyelerini nasıl algıladığı konusu üzerinde çalışan 3 araştırmacıya verildi. Ödüle; Harvard Medical School kurumundan William Kaelin, Oxford'dan Sir Peter Ratcliffe ve John Hopkins'ten Gregg Semenza adlı bilim insanları layık görüldü.

Oksijen

İlk başta insanoğlunun ne kadar oksijen tükettiğini algılamak için ayrıntılı bir sisteme ihtiyaç duyması kulağa tuhaf geliyor ancak hipoksik yani oksijenden yoksun kalma durumları farklı hücreler için farklı anlamlara geliyor. Diğer bir deyişle nöronların, iskelet kası hücrelerinin veya karaciğer hücrelerinin hipoksik durumlara toleransları ve yanıtları farklılık gösteriyor.

Ayrıca vücudumuz, oksijen seviyesine yakın dönemde ve uzun dönemde farklı tepkiler gösteriyor. Kısa dönem için örnek verecek olursak bir kişi egzersiz yaptığı sırada kullandığı kas gruplarında yanma hissediyor, uzun dönem etkilerinde ise yüksek irtifada yaşayan kişilerin vücudu oksijen seviyelerine karşı bir dizi fizyolojik adaptasyonlarda bulunuyor.

Yukarıda bahsi geçen nedenlerin ikincisi, bilim insanlarının aklını kurcalayan temel soruyu oluşturuyor. Araştırmacılar, erythropoietin ( EPO, birçok atletizm yarışmasında doping olarak kullanılan hormon ) olarak adlandırılan ve kırmızı kan hücrelerinin yapımını artıran hormonu yıllar öncesinden tanımlamıştı. EPO adlı hormon yüksek irtifada yaşayan kişilerde yükseliyor ve kan hücrelerinin yapımını artırıyor.

Gregg Semenza ve ekibi, EPO'nun etkilerini gözlemlemek amacıyla bir dizi çalışma yürüttü. Ekip DNA'nın belirli bir bölgesinde bulunan ve yüksek gen aktivitesinden sorumlu olan DNA dizilerine EPO genini ekledi ve farelerin eklemiş gen sonrasındaki oksijen yanıtlarını inceledi.

Ekip daha sonra komşu DNA dizilerinin miktarlarını değiştirdi ve 50 farklı kısa baz çifti tanımladı. Tanımlanan baz çiftlerinin diğer genlerin oksijen aktivitesine vereceği tepkiyi etkilediği tespit edildi.

Yapılan çalışma ayrıca çoğu hücre tipinde, oksijene yanıt gösteren gen aktivitesine neyin sebep olduğunu da gösterir nitelikte. Bunlarla birlikte mekanizmanın gidişatı sadece böbreklerde düzenlenen EPO ile değil, daha geniş ve evrensel bir mekanizma ile oluşuyor yani oksijen seviyeleri birçok sistemin ortak etkisi sonucunda algılanıyor.

Biyokimya

Araştırmacılar mekanizmayı aydınlatmak için birtakım biyokimyasal süreçten yararlandı. DNA'yı ayırmak için jel yapıdaki preparatları kullandılar. DNA için kullanılan jelin ağ yapısı sayesinde DNA molekülüne bir protein yapısı takılı ise bu yapı DNA'nın elektroforez işleminde daha da yavaşlamasına ve diğer türlerden ayrılmasına sebebiyet veriyor.

Proteinin bağlı olduğu DNA molekülünü yavaşlatma özelliği araştırmacılar tarafından kullanıldı ve DNA üzerinde bulunan ve EPO'nun düzenlenmesinde görev alan protein türlerini, diğer proteinlerden ayrıştırmak için bu özellikten yararlanıldı.

Kullanılan yöntem ile önce protein sekansları belirlendi ve protein sekanslarının belirlenmesi de ilgili genin belirlenmesinin önünü açtı. Sonuç olarak EPO üretiminden sorumlu genler başarılı bir biçimde belirlendi.

Laboratuvar incelemeleri sonucunda 2 farklı proteinin oksijen seviyesi düştüğünde ilgili sekanslara bağlandığı görüldü. Proteinlerden birinin çeşitli hücrelerde aktif olan ve çoklu gen düzenleme bağlantılarıyla etkileşime giren genel bir faktör olduğu gözlemlendi. Diğer proteinin ise sadece oksijen seviyeleri düştüğünde bulunduğu tespit edildi. Semenza; yeni proteini HIF-1a olarak adlandırdı. HIF-1a adlı proteinin keşfi ise EPAS1 adlı, HIF-1a ile yakın ilişkisi olan proteinin tanımlanmasına öncülük etti. İki proteinin de oksijene duyarlı aktivite reaksiyonlarında rol aldığı bildiriliyor.

Düzenleme

Tam Boyutta Gör

Hem HIF-1a hem de EPAS1 adlı proteinin garip bir tarafı bulunuyor. Proteinlerin yalnızca oksijen seviyeleri düşükken mevcut olduğu ve proteinlerin genlerinin RNA'ya transkribe olduğu belirtiliyor. Ancak bu transkripsiyon işlemi sadece oksijen seviyelerinin düşük olduğu zaman değil her zaman oluyor. Bu fenomenin açıklaması için ise 3 farklı olasılık bulunuyor.

Fenomen için mevcut olasılıklara göz atacak olursak ya RNA dizileri proteinlere çevrilmeden önce destrükte oluyor yani imha ediliyor, ya RNA dizileri proteinlere çevrilemiyor yani işlem basamağında bir bozukluk bulunuyor ya da proteinler üretiliyor ancak üretildikten sonra destrükte ediliyor.

Yapılan laboratuvar testlerinin sonuçları ise HIF-1a ve EPAS1 proteinlerinin yalnızca oksijen seviyesinin düşük olduğu durumda kararlı olduğunu gösteriyor.

Kaelin adlı bilim insanını bu olaydaki hikayesi işte tam olarak burada başlıyor. Kaelin'nin araştırma ekibi VHL adlı kanser oluşumunu baskılayan bir gen üzerinde çalışıyordu. Ekip yaptığı araştırmalarda birçok genin VHL içermeyen hücrelerde aktivitesini değiştirdiğini ve bu genlerin bir kısmının HIF-1a adlı protein tarafından düzenlendiğini keşfetti.

Ratcliffe ise tam olarak bu noktada devreye girdi ve VHL adlı genin oksijen seviyesinin yüksek olduğu durumda HIF-1a adlı proteini tahrip etmek üzere hedef olarak gördüğünü kanıtladı. ( VHL bu işlemi ise ''ubiquitin'' adlı ''beni yok et'' sinyali taşıyan proteini HIF-1a adlı proteine ekleyerek yapıyor. )

Yukarıdaki cümleleri özetleyecek olursak VHL adlı gen HIF-1a adlı proteine belirli bir aminoasit sekansı ( dizisi ) aracılığıyla bağlanıyor ancak bu işlemi sadece oksijen varlığında yapıyor. Oksijen varlığı ile bahsi geçen aminoasit sekansı HIF-1a adlı protein ile VHL arasındaki etkileşimi artıracak şekilde kimyasal olarak değişiyor yani kimyasal olarak aktif duruma geçiyor.

Oksijenin olmadığı durumlarda ise kimyasal modifikasyon gerçekleşmiyor yani HIF-1a ile VHL arasında herhangi bir etkileşim meydana gelmiyor. Bu durum da HIF-1a adlı proteinin düzenlediği genlerinin aktivitesini belli bir süre devam ettirmesini yani uzun bir süre boyunca ''hayatta kalmasını'' sağlıyor.

Ancak bütün hikaye burada da bitmiyor; araştırmacıların bazıları oksijen varlığında da kimyasal olarak değişime uğrayabilen ayrı bir tür HIF-1a bölgesi keşfetti.

Oksijen varlığındaki durumda ise oksijene bağlı modifikasyonlar; HIF-1a ile DNA'yı RNA'ya transkribe eden bileşiklere bağlanan proteinler arasındaki etkileşimi önlüyor. Bu durumda da eğer bir HIF-1a molekülü bir şekilde destrüksiyondan kurtulursa, DNA'ya yapışacağı yerin yakınındaki hiçbir geni aktive edemiyor yani sistem bir nevi emniyet mekanizması gibi işliyor.

Biyokimyasal yollar

Oksijene verilen fizyolojik tepkiler çok çeşitli biyokimyasal yollar ile gerçekleşiyor. Ayrıca oksijen yolakları ile VHL'nin tümörleri baskılaması arasındaki ilişkili hala daha araştırılıyor. Bu nedenle HIF-1a hakkında öğrendiğimiz bilgiler hala daha tıp ve ilaç geliştirme alanına tam olarak uygulanamıyor; başka bir deyişle şu an için bilgilerimiz sınırlı görünüyor ancak gelecek araştırmalar ile bilgilerimiz gelecekte bu alanlara da uygulanabilecek gibi duruyor.