Mikro RNA ve Sinir Sistemindeki Görevleri

DNA, gen, protein, mRNA, ribozomu anladık da bu mikro RNA nereden çıktı? Genomda saklı bulunan genetik bilgilerin bir kısmı sırasıyla önce mRNA’ya sonra da proteine dönüştürülürler. Proteinlerin hücresel işlevlerdeki önemli rollerinden dolayı, uzun yıllar boyunca protein kodlayan genlerin tanımlanmasına öncelik verilmiş ve genomun protein kodlamayan kısmı yapısal RNA’lar dışında şifresi çözülmemiş bir gizem olarak kenarda bırakılmıştır.

İnsan genom projesinin tamamlanması sonrası protein kodlayan gen sayısının sanıldığından çok daha az olması (25 bin civarında), insanlara özel gelişimsel ve fizyolojik gelişmişlik ile genomda bulunan gen sayısı arasında doğrudan bir bağlantı olmayabileceğini işaret etmiştir. Örneğin; insan genomunun sadece %2’si mRNA üretiminde kullanılmaktadır. Alternatif mRNA uçbirleştirme ve translasyon sonrası protein modifikasyonları bu gelişmişliği açıklamaya yardımcı olmakla birlikte yetersiz kaldığı fark edilmiştir. İnsan genomunun %5-10’undan, proteinlere dönüştürülmeyen ancak işlevi de bilinmeyen RNA üretildiği bilimsel araştırmalar tarafından gösteriliyor. Protein kodlamayan ama hücresel işleyişte çok önemli düzenleme basamaklarına katılan RNA’lardan biri de mikro RNA’lardır.

900’den Fazla Mikro RNA Tanımlandı

mikro RNA’lar, gen ifadesini özellikle transkripsiyon sonrası aşamada düzenleyen 17-25 nükleotit (nt) uzunluğunda protein kodlamayan küçük RNA’lardır. Gelişimin değişik aşamasındaki rollerinden dolayı, başlangıçta stRNA (small temporal RNA) olarak adlandırılan miRNA’lar solucanda gelişimi etkileyen heterokromik genlerin tanımlanması esnasında ilk kez 1979 yılında keşfedilmiş ancak işlevsel bir proteini kodlamaması nedeniyle 1993 yılına kadar genetik gizem olarak kalmıştır. Bugüne kadar tanımlanan 900’den fazla mikro RNA vardır ve bu sayı sürekli artmaktadır.

mikro RNA’lar ya mRNA’nın az kodlandığı DNA bölgelerinde ya da mRNA’ların intronlarının içinde bulunur ve oradan kodlanır. Her iki durumda da mRNA’ları sentezleyen RNA Polimeraz 2 tarafından sentezlenir.

Tüm mikro RNA’lar pek çok proteinin katalizi ile aksesuar proteinler ve makromoleküler komplekslerin katıldığı bir seri olay sonucu gerçekleşen karmaşık biyogenez sürecinden sonra olgunlaşırlar. Klasik miRNA oluşum sürecinde ilk olarak 60-70 nükleotitlik birincil molekül pri-miRNA kodlanır. Bu molekül bazı modifikasyonlara uğrayarak pre-miRNA’ya dönüştürülür. Bir sonraki aşamada bazı enzimlerin yardımıyla olgun mikro RNA’lar üretilir.

Mikro RNA’lar Genlerin 3’te 1’ini Düzenliyor

İnsan genomunun %2’sinde 25,000 civarında aktif gen vardır. Biyoinformatik çalışmalar genlerin %30’undan fazlasının miRNA’lar tarafından düzenlendiğini gösteriliyor. Bu çok büyük bir sayı. Kabaca söylersek üretilen her 100 proteinden 30’unun translasyonunda mikro RNA’lar olaya dahil oluyor. Bazı mRNA’lar tek bir bağlanma bölgesi içerirken çoğu mRNA birden fazla mikro RNA bağlanma bölgesi içermektedir. Çekirdekte üretilen mRNA’lar sitoplazmaya geçtiklerinde mikro RNA’lar mRNA translasyonunu baskılayarak veya mRNA kararlılığını azaltarak gen ifadesini transkripsiyon sonrası seviyede kontrol etmektedirler. Araştırmalar miRNA’ların translasyonu 4 farklı mekanizma ile baskılayabileceğini iler sürüyor:

1) Protein sentezinin başlamasının baskılanması.

2) Ribozomların olgunlaşmadan mRNA’dan düşmesi.

3) Protein sentezinin uzama aşamasında yavaşlatılması.

4) Protein sentezine paralel olarak proteinin parçalanması.

miRNA’lar ilk olarak gelişimsel süreçlerde keşfedildi ancak gelişimin yanında metabolizma, kök hücre gelişimi ve farklılaşması, tümör oluşumu, apoptoz (programlı hücre ölümü) ve hücre döngüsü gibi çok değişik hücresel işlevde rol oynadığı bildirilmiştir. Son yıllarda yapılan çalışmalarda miRNA’ların TGF-beta, Wnt, reseptör tirozin kinaz, PTEN, p53 ve Notch gibi çok önemli sinyal iletim yollarını düzenledikleri rapor edilmiştir. Mikro RNA’lar aynı zamanda bedensel ve zihinsel hastalıklar da faal olarak görev alırlar. miRNA’ların psikiyatrik hastalıklar, şeker hastalığı ve kanser gibi 94 değişik hastalıkta rol oynadığı görülmüştür. Dolayısıyla mikro RNA’lar hastalıkların moleküler mekanizmalarının anlaşılmasında ve yeni ilaç geliştirilmesinde moleküler belirteç olarak görev yapma potansiyeline sahiptir.

Mikro RNA’lar En Çok Beyin Gelişimini Düzenliyor

Tüm vücutta bulunan mikro RNA’lar sinir sisteminin gelişiminde ve düzenlenmesinde de çok ciddi görevler alıyorlar. Örneğin, miR-124‘ün (olgun mikro RNA’lar miR-xxx şeklinde gösterilir)  beyinde üretilen miRNA’ların %24-48’ini oluşturuyor. Bunun gibi birçok miRNA sadece beyne özgü faaliyet gösteriyor. İnsan ve şempanze beyninde yapılan araştırmalar kuzenlerimizden ayrı olarak bizde 51 miRNA’nın kodlandığını gösteriyor. İnsana özgü özelliklerinden belki de bu 51 mikro RNA sorumludur.

Beyin, mikro RNA’lar bakımından oldukça zengin bir kaynaktır. Yapılan birçok miRNA kodlaması profilleme çalışmasında, miRNA’ların önemli bir bölümünün sinir sistemi tarafından özgül olarak sentezlendiği ortaya konmuştur. Bu sentezlemenin tamamıyla beyin gelişimi sırasında değişimi, miRNA’ların beyin gelişiminde ve nöronal farklılaşmada rol aldığını göstermektedir.

Beyne özgü mikro RNA’lar, sinir sistemi gelişim aşamalarında yer alan; nöral indüksiyon, nöral plak ve nöral tüp gelişimi sırasında eksen oluşumu, nörogenez, nöronal farklılaşma, sinaptogenez, nöral morfogenez, gliogenez, dentritogenez, nöral kök hücre yönlenmesi, nöronal ve glia hücre tipleri arasında özgül iletişim bölgelerinin kurulması ve korunmasında rol almaktadırlar. Gördüğünüz gibi mikro RNA’lar gelişimin neredeyse her aşamasında rol oynuyorlar.

Mikro RNA’lar Kök Hücrelerin Oluşumunda Rol Alıyorlar

mikro RNA’lar gelişimin en erken evreleri yani sinir sisteminin oluşmasını sağlayan nöral kök hücre (NKH) gibi özel kök hücreler ile diğer tüm fetal dokuları meydana getiren hücrelerin oluşumunu sağlayan pluripotent embriyonik kök hücrelerin oluşması ve korunması için gereklidir. mikro RNA’lar üstünde yapılan in vitro çalışmalarda miRNA’ların kök hücre yenilenmesi, pluripotensi, farklılaşma, köken belirlenmesi, organogenez ve özellikle nörogenezde önemli bir rol oynadığını ortaya çıkmıştır. NKH’leri düzenlemedeki rolleri nedeniyle mikro RNA’lar bu kök hücrelerden istenilen türde nöron farklılaştırmak için kullanılabilir.

Kök Hücre: Yaşamın Öncüleri

Çok sayıda mikro RNA sadece sinir sisteminde bulunuyor ama bunların yerleri ve işlevleri de çok çeşitlidir. Vücuttaki miRNA’ların en az %70’inin beyinde de üretiliyor olması bu moleküllerin beynin karmaşık işlevlerine katkısını vurgulamaktadır. Örneğin; miR-9, miR-101, miR-124, miR-125, miR-127, miR-128, miR-132, miR-219 ve let-7 ailesinin üyesi mikro RNA’lar beyin dokusuna özgüldür ya da beyinde diğer dokulardakinden daha yüksek düzeyde üretilmektedir. Bu moleküllerin bazısı bölgesel ve sinir hücresinin tipine özgü faaliyet göstermektedir. miR-124 ve miR-128 özellikle nöronlarda bulunurken, miR-23 astrositlere özgüdür. miR-26 ve miR-29 ise astrositlerde nöronlardakinden fazla kodlanır.

Mikro RNA’lar Beyin Gelişiminde Aktif Rol Alıyor

miRNA moleküllerinin nöral gelişimdeki rolü erişkin sinir sistemindeki işlevlerinden daha iyi bilinmektedir ve daha ayrıntılı olarak çalışılmıştır. Ancak son yıllardaki çalışmalar bu moleküllerin erişkin sinir sisteminin öğrenme, bellek, uyku, nörohormonal yanıtlar ve sirkadyen ritim düzenlenmesi gibi fizyolojik işlevlerinde de önemli rol oynadığını göstermektedir. Sinaptik ve bilişsel işlev bozukluğunun görüldüğü Alzheimer hastalığı, madde bağımlılığı, uyku yoksunluğu, stres gibi patolojik durumlarda beyinde miRNA sentez değişikliklerinin görülmesi de önceki çalışmaları destekliyor.

Bilim insanları laser capture gibi bazı teknikler kullanarak memelilerin nöronlarında bazı mikro RNA moleküllerinin hücre gövdesinde yoğunlaştığını, bazısının ise dendritlerde en fazla bulunduğunu tespit etmiştir. Ekip özellikle dendritlerde daha yoğun olan miRNA’ların öğrenme ve bellek gibi biyolojik süreçlerin moleküler temelde düzenlenmesine katıldıklarını düşünmektedir. Bazen aynı gen bölgesinden üretilen miRNA’ların bile aynı nöron içindeki aksonal dağılımı farklı olabiliyor. Bu da bize sinir sisteminde mikro RNA aracılı mRNA düzenleme mekanizmasını ne kadar karmaşık ve ileri düzeyde çalıştığını gösteriyor.

Biyolojik Ritim: Vücudumuzun Orkestra Şefi

Çok Fazla Görevde Söz Sahibi

Hücrelerdeki elektriksel faaliyet ve uyarılabilirlik iyon kanalları vasıtasıyla olur. Na+, K+, Ca+ ve Cl- gibi iyon kanal proteinlerinin koordineli çalışması sonucu nöron zar potansiyeli değişir ve aksiyon potansiyel oluşur. Bu konuda yapılan çalışmalar mikro RNA moleküllerinin de gerek nöronlarda, gerekse kalp hücreleri gibi uyarılabilen nöron dışı hücrelerde iyon kanal proteinlerinin üretilmesi ve düzenlenmesine katıldığını göstermiştir. İyon kanal proteinlerinin translasyonunu kontrol eden miRNA moleküllerinin kodlanmasındaki anormal değişiklikler iyon kanal düzenlenmesinin bozulmasıyla kanalopati olarak adlandırılan hastalıkların nedeni olabilmektedir.

Bilişsel işlevler ve birçok metabolik faaliyetin yanında miRNA’ların sirkadyen ritminin düzenlenmesinde de parmağı olduğunu gösteren araştırmalar mevcuttur. Beyindeki lokal saatler metabolizmanın düzenlenmesi ve bellek oluşumu gibi birçok işleve katılmaktadır. Memelilerde suprakiazmatik çekirdek ana zaman ayarlayıcı yapıdır. 10.000 kadar nöronun bulunduğu bu yapı için başlıca uyaran ışıktır. Fareler üstündeki bir çalışma miR-183/96/182 mikro RNA kümesinin retinaya özgü kodlandığını ve miR-96 ve miR-182 üretiminin ışığa bağlı değiştiğini gösteriyor. Araştırmacılar bu miRNA kümesinin sirkadyen ritminin düzenlenmesine katıldığını düşünüyor.

mikro RNA’lar temel fizyolojik faaliyetlerin yanında pek çok psikolojik işlevde de kendisini gösterir. Aslında bu küçük moleküller hakkında daha bir bu kadar yazabiliriz. Zira mikro RNA’lar kanserde, otoimmün hastalıklarda, nörodejeneratif rahatsızlıklarda kendine bir rol buluyor. Vücudun işleyişini öğrenmek istiyorsak bu moleküllerin ne yaptığı mutlaka tam anlamıyla anlaşılmalı ve tüm tedavi yöntemleri de düzenlenmelidir.

Yaşlanma Karşıtı Bir Mikro RNA Bulundu!

Hazırlayan: Çağlayan Taybaş

Kaynaklar

1. Carthew RW, Sontheimer EJ. Origins and mechanisms of miRNAs and siRNAs. Cell. 2009;136:642-655.
2. Lee RC, Feinbaum RL, Ambros V. The C. elegans heterochronic gene lin-4 encodes small RNAs with antisense complementarity to lin-14. Cell. 1993;75:843-854.
3. www.mirbase.org
4. Liu X, Fortin K, Mourelatos Z. MicroRNAs: biogenesis and molecular funtions. Brain Pathol. 2008;18:113-21.
5. Filipowicz W, Bhattacharyya SN, Sonenbert N. Mechanisms of post-transcriptional regulation by microRNAs: are the answers in sight? Nat. Rev. Genet. 2008;9:102-114.
6. Lynam- Lennnon N, Maher SG, Reynolds JV. The roles of microRNA in cancer and apoptosis. Biol. Rev. 2009;84:55-71.
7. Lagos-Quintana M, Rauhut R, Yalcin A, Meyer J, Lendeckel W, Tuschl T. Identification of tissue-specific microRNAs from mouse. Curr Biol. 2002 Apr 30;12(9):735-9.
8. Smibert P, Lai EC. Lessons from microRNA mutants in worms, flies and mice. Cell Cycle 2008;7:2500-8.
9. Luo X, Zhang H, Xiao J, Wang Z. Regulation of human cardiac ion channel genes by microRNAs: theoretical perspective and pathophysiological implications. Cell Physiol Biochem. 2010;25:571-86.
10. Xu S, Witmer PD, Lumayag S, Kovacs B, Valle D. MicroRNA (miRNA) transcriptome of mouse retina and identification of a sensory organ-specific miRNA cluster. J Biol Chem. 2007;282:25053-66.