Bilim insanları, fare embriyosunda bir milyondan fazla hücrenin izini sürerek memeli gelişimini adım adım gösteren ayrıntılı bir harita oluşturdu.
Gelişimin tek tek karelerinden bütün sürece
Bilim insanları onlarca yıldır bir embriyonun gelişiminden yalnızca tek anlık görüntüler alabiliyordu: gelişen beynin bir kesiti, kalbin nasıl şekillendiğine dair bir kare ya da sinir sistemini oluşturmaya başlayan hücrelerin kısa bir görünümü. Yeni çalışma ise bu parçalı yaklaşımın ötesine geçerek gelişimin bütünü nasıl ilerlediğini ortaya koyuyor.
MIT Profesörü Jonathan Weissman’ın laboratuvarından çıkan araştırma, bir memelinin hücre hücre nasıl kurulduğuna dair şimdiye kadarki en ayrıntılı görüntülerden birini sunuyor. Çalışma, Whitehead Institute for Biomedical Research ve Howard Hughes Medical Institute ile bağlantılı Weissman’ın ekibinden geldi.
Oct. 8 tarihinde Cell dergisinde açık erişim olarak yayımlanan araştırma, Yale University’den Zachary Smith’in grubu ve Max Planck Institute for Molecular Genetics ile işbirliği içinde hazırlandı. Çalışma, tek bir döllenmiş yumurtanın nasıl yüzlerce farklı hücre türüne dönüştüğünü ve bu hücrelerin beden içinde doğru yerlere, doğru zamanlarda nasıl yerleştiğini ayrıntılı biçimde gösteriyor.
Bir hücrenin soy ağacı çıkarıldı
Araştırma, bir fare embriyosu gelişirken bir milyondan fazla hücrenin aile geçmişini takip ederek bir tür gelişim planı ya da film oluşturdu. Bu harita, hücrelerin nasıl bölündüğünü ve sonunda bedenin dokularına ile organlarına nasıl dönüştüğünü gösteriyor.
Weissman, bunun genomdaki bilginin uzay ve zaman içinde nasıl işlediğini, doğrusal DNA’dan üç boyutlu bir hayvana nasıl geçildiğini gösteren bir bakış sunduğunu söylüyor. Araştırmacılara göre bu yaklaşım, gelişim sürecinin uzun süredir parçalar halinde incelenen doğasını ilk kez daha bütüncül biçimde ele alıyor.
1980’lerde bilim insanları Caenorhabditis elegans adlı, saydam gövdesinde yaklaşık 1.000 hücre bulunan küçük bir solucanın gelişimini büyük emekle izleyerek benzer bir alana girmişti. Ancak bir memelide aynı şeyi yapmak çok daha zordu; çünkü memeli embriyolarında çok daha fazla hücre bulunuyor, gelişim rahim içinde gerçekleşiyor ve süreç tamamen önceden yazılmış bir senaryoya bağlı ilerlemiyor.
PEtracer ile hücrelerin izleri sürüldü
Yeni çalışma, Weissman Lab’de geliştirilen PEtracer adlı teknolojiyle bu güçlüğü aşmayı hedefledi. Sistem, hücrelerin içine bir tür uçuş kaydedici gibi yerleşiyor: DNA üzerinde kalıtsal küçük değişiklikler oluşturuyor ve bu değişiklikler hücreler bölündükçe sonraki nesillere aktarılıyor. Bilim insanları daha sonra bu izleri okuyarak hangi hücrelerin hangi atadan geldiğini geriye doğru çıkarabiliyor.
Bu yöntemle oluşturulan soy ağaçları, her hücrede hangi genlerin çalıştığına ve hücrelerin embriyo içinde nerede bulunduğuna ilişkin verilerle birleştirildi. Araştırmacılar, gelişimin farklı noktalarında toplanan fare embriyolarından bir milyondan fazla hücreyi analiz ederek hücrelerin yalnızca nereye gittiğini değil, hangi aşamada belirli bir kader yönüne dönmeye başladığını da izledi.
Çalışma, embriyonun gelişiminin birbirine yakın aşamalarda ve her aşamada birden fazla embriyo üzerinden incelenmesi nedeniyle, gelişimin nasıl ilerlediğine dair daha ayrıntılı bir tablo sundu. Böylece hücrelerin bir embriyodan diğerine aynı yolları ne kadar tutarlı biçimde izlediği de görülebildi.
Kanser ve doğum kusurları için de ipucu olabilir
Bu ayrıntılı zaman çizelgesi, hücrelerin belirli bir kadere ne zaman kilitlendiğini, kaç erken hücrenin bir dokuya dönüştüğünü ve son olarak gelişmekte olan organa nasıl katkı verdiğini ortaya koydu. Önceki çalışmalar çoğu zaman tek bir hücre grubuna odaklanırken, bu yaklaşım o tekil öyküleri tüm gelişen hayvanın bağlamına yerleştiriyor.
Araştırmacılar, bu bütüncül bakışın özellikle hastalıkların anlaşılması açısından yararlı olabileceğini belirtiyor. Doğum kusurlarının bir kısmı, dokular ve organlar kurulurken hücrelerin yön değiştirmesiyle ortaya çıkıyor. Normal gelişimin ayrıntılı haritası, bu sürecin nerede ve ne zaman bozulduğunu saptamaya yardımcı olabilir.
Kanserde de benzer bir yaklaşım, hücrelerin ne zaman yayılma ya da tedaviye direnç gösterme gibi özellikler kazandığını izlemeye yardımcı olabilir. Luke Koblan, gelişim ve kanserin de hücrelerin ne olacaklarına dair verdikleri kararlara dayandığını söylüyor; onun ifadesine göre, fare embriyolarındaki gelişimi izleyerek kanser hücrelerinin yayılma veya tedaviye direnme yolunda nasıl değiştiği daha iyi anlaşılabilir.
Kök hücre çalışmaları için yeni bir rehber
Çalışmanın bir başka olası etkisi de kök hücre araştırmaları üzerinde olabilir. Bilim insanları uzun süredir kök hücreleri belirli hücre türlerinin olgun ve işlevsel hâllerine dönüştürmeye çalışıyor. Ancak embriyodaki tam koşulları yeniden üretmek oldukça zor.
Lisansüstü öğrenci ve ortak birinci yazar William Colgan’a göre, vücuttaki her hücre türünün nasıl oluşturulacağına dair adım adım bir tarif elde edilebilirse bu, kök hücre biyolojisi için son derece güçlü bir kaynak olurdu. Weissman da çalışmayı İnsan Genomu Projesi ile karşılaştırıyor: Ona göre genom dizisini bilmek, bir organizmayı kurmak için gereken malzemeleri veriyor ama bu malzemelerin nasıl kullanıldığını öğretmiyor.
Weissman’ın benzetmesine göre genom, dört aşamalı bir yemeğin malzeme listesini andırıyor; hangi malzemenin ne zaman, ne kadar ve nereye konacağını söylemiyor. Yeni harita ise bu eksik tarifin ayrıntılarını doldurmaya başlıyor ve araştırmacılara memeli gelişimini tamamen yeni bir şekilde inceleme imkânı veriyor.
