Kromatin Organizasyonu

Suda şişen çekirdekler

Aynı haftanın cuması. Poyraz yeniden çıkmış, bodrumun dar penceresine ince bir yağmur vuruyor. Meliha Hanım aynı fibroblast kültüründen yeni bir blok kesmiş, dilimleri ağır metal tuzlarıyla kontrastlamış. Izgara kutusunda ikinci bir kap daha var. Sabah hücrelerden çekirdekleri ayırıp saf suya bırakmış, şişen çekirdekleri santrifüjle ince bir karbon filmin üstüne çöktürmüş.

Önce kesit. Çarşamba görülen koyu kuşak bu dilimde de yerinde: iç zarın hemen altında, çekirdeği dolanan siyaha yakın bir şerit. Porların önünde şerit kesiliyor, içeriye doğru soluk huniler açılıyor. Çekirdeğin ortasına doğru gri ton açılıyor, yer yer koyu adacıklar kalıyor. Ortaya yakın, çevresi koyu bir halkayla sarılmış iri, yuvarlak bir cisim duruyor.

Sonra ikinci ızgara: ekranın her yanına dağılmış, kıvrılıp dolanan ince iplikler. Büyütme artınca her biri, aralarında daha ince bir bağla birbirine tutunan küçük kürelerden kurulu bir dizi. Barlas ölçek çubuğuyla bir küreyi okuyor: on nanometre dolayı.

"Kesitteki koyuluk bu boncuklardan mı yapılmış?" diye soruyor. Meliha Hanım: "Suda açılmış hâlleri bu, kesittekiler sıkışmış. Soru, aradaki yolun nasıl kat edildiği."

Bu derste ne olacak

Önce çekirdekteki DNA'nın boyunu çekirdeğin çapıyla karşılaştıracağız. Sonra suda açılan boncukların ne olduğunu, histonların DNA'yı hangi kuvvetle tuttuğunu ve ders kitaplarındaki otuz nanometrelik lifin neden hücrede kolay bulunmadığını tartacağız. En sonda kesitteki koyu ve soluk bölgelerin adını koyup nerede durduklarına bakacağız.

Metin

İki metre, birkaç mikrometre

Bir insan hücresinin çekirdeği ne kadar DNA taşır? Wikipedia'nın insan genomu maddesi haploit genomu yaklaşık 3,1 milyar baz çifti verir ve hücrelerin çoğu diploit olduğu için 6,2 milyar yazar. Milo ve Phillips de genomu yaklaşık 3 milyar baz çifti alır ve diploit çekirdeğin kabaca iki metre DNA taşıdığını hesaplar. OpenStax'in biyoloji kitabı çift sarmalda ardışık iki baz çifti arasına 0,34 nanometre koyar; Wikipedia'nın çift sarmal maddesi bu adımı 0,332 nanometre verir.

Çarpım: 6,2 × 10⁹ × 0,34 nm ≈ 2,1 × 10⁹ nm, yani yaklaşık 2,1 metre. Görsel harita dersinde insan çekirdeğine altı mikrometrelik bir çap vermiştik. 2,1 metre ÷ 6 mikrometre ≈ 3,5 × 10⁵. Barlas'ın pazartesi ölçtüğü on mikrometrelik fibroblast çekirdeğinde oran yaklaşık 2,1 × 10⁵ olur.

Wikipedia'nın DNA ve çift sarmal maddeleri sarmalın çapını iki nanometre dolayında verir. İki metrelik, bir nanometre yarıçaplı bir silindirin hacmi π × 1² × 2,1 × 10⁹ ≈ 6,6 × 10⁹ nm³, yani yaklaşık 6,6 µm³ eder. Altı mikrometrelik bir kürenin hacmi yaklaşık 113 µm³'tür; çıplak DNA bunun on yedide birini doldurur. Asıl güçlük yer darlığından çok, iki metrelik ipin düğümlenmeden, kopmadan ve istenen parçasına ulaşılabilecek biçimde katlanmasıdır.

Maeshima'nın 2025 derlemesi ile Wikipedia'nın Walther Flemming maddesi, adı boyayla belirginleşen bu maddeyi gören Flemming'e bağlar. Maddenin neyden kurulduğu ise uzun süre bilinmedi.

Boncuk ve ip

PubMed'deki özetine göre Ada ve Don Olins 1974'te Science'ta, suda şişirilip karbon filme çöktürülmüş sıçan timüsü, sıçan karaciğeri ve tavuk alyuvarı çekirdeklerinde, ince bağlarla birbirine tutunan küresel parçacık dizileri tarif ettiler. Wikipedia'nın nükleozom maddesi ile Maeshima'nın derlemesi, aynı yıl Roger Kornberg'in histonlarla DNA'nın yinelenen bir birim kurduğu önerisini bu gözlemin yanına koyar.

Birimin bugünkü tarifi şudur. OpenStax'e göre histonlar bazik amino asitlerce zengin, evrimde korunmuş proteinlerdir ve dört ayrı histonun ikişer kopyasından bir sekizli, yani oktamer kurarlar. Maeshima bu dört histonu H2A, H2B, H3 ve H4 diye sayar ve oktamerin çevresine 147 baz çiftinin sarıldığını yazar. McGinty ile Tan'ın 2015 derlemesi sarılan uzunluğu 145 ile 147 baz çifti arasında verir, 1997'deki kristal yapıda DNA'nın oktamerin çevresinde sol elli bir süper sarmal hâlinde yaklaşık 1,65 tur attığını aktarır.

Boncukların arasındaki ince bağ bağlayıcı DNA'dır. McGinty ile Tan nükleozomların genom boyunca her 160 ile 240 baz çiftinde bir yinelendiğini, bir nükleozomun yaklaşık 200 baz çiftini düzenlediğini yazar; Maeshima da yaklaşık 200 baz çiftilik bir tekrar birimi verir. İki kaynak bağlayıcı DNA'ya çoğunlukla H1 adlı beşinci bir histonun oturduğunu ekler.

Ölçüler bir hesaba izin verir. 6,2 × 10⁹ ÷ 200 ≈ 3,1 × 10⁷: bir diploit çekirdekte otuz milyon dolayında nükleozom bulunur. Wikipedia'nın nükleozom maddesi de insan hücresi için yaklaşık otuz milyon yazar. Tek bir boncuğa sarılan DNA 147 × 0,34 ≈ 50 nanometre uzunluğundadır ve aynı maddenin on bir nanometre çaplı bir silindir diye tarif ettiği parçacığın çevresine dolanır. Wikipedia'nın kromatin maddesi ile McGinty ve Tan boncuklu ipin kalınlığını da on bir nanometre dolayında verir. Bir tekrar biriminin 200 baz çifti düz hâlde 200 × 0,34 = 68 nanometredir. Boncuklar yan yana dizildiğinde bu uzunluk kabaca bir boncuk çapına, on bir nanometreye iner: 68 ÷ 11 ≈ 6. Wikipedia'nın nükleozom maddesi bu ilk basamağın sıkıştırma oranını beş ile on arasında verir. Yüz binlerce katlık oranın geri kalanı daha üst düzeylere kalır.

Artı ile eksi

Histonlar DNA'yı neyle tutar? Fonksiyonel Gruplar dersinde DNA'nın omurgasının fosfat grupları taşıdığını ve bu fosfatların vücut sıvılarında eksi yüklü olduğunu görmüştük. Proteinlerin Tampon Rolü dersinde de lizinin amino grubunu ve argininin guanidin grubunu proton alıp veren yan zincirler arasında saymıştık. McGinty ile Tan histon kuyruklarının çok sayıda arginin ve lizin taşıdığını ve güçlü bir net artı yük tuttuğunu anlatır. Maeshima da oktamerin artı yüklü yüzeyinin DNA'nın eksi yükünü karşıladığını yazar.

Karşılama tam değildir. Maeshima'nın çizimine göre on nanometrelik lif yine de net eksi yüklüdür; kalan yükü H1 ve ortamdaki artı iyonlar dengeler. Bu yüzden ipin ne kadar sıkışacağı ortamdaki iyonlara bağlıdır. Barlas'ın ızgarasındaki çekirdekler saf suda açılmıştır.

Aynı elektrostatik, paketin gevşemesinin de bir yolunu gösterir. Wikipedia'nın kromatin maddesi histon kuyruklarındaki lizinlerin artı yüklü olduğunu, bu lizinlere asetil grubu eklenince kuyruğun yükünün nötrleştiğini ve DNA'ya erişimin kolaylaştığını yazar. Maeshima da yükü nötrleştiren asetilasyonun kromatinin sıkışmasını düzenleyen değişikliklerden biri olduğunu belirtir. Bu işaretlerin kimin eliyle konup kaldırıldığını Histon Asetilasyonu dersi işleyecek.

Otuz nanometrelik lif

OpenStax, boncuklu ipin beşinci histonun yardımıyla otuz nanometrelik bir life sıkıştığını yazar. Bu lif gerçekten vardır: Maeshima'ya göre arıtılmış on nanometrelik lif, H1 eklenmiş ve artı iyonları seyreltilmiş bir ortamda, deney tüpünde kolayca düzenli otuz nanometrelik bir life katlanır.

Hücrenin içinde ise tablo değişir. Maeshima, kriyo-elektron mikroskobu başta olmak üzere çeşitli yöntemlerle incelenen insan ve öteki hücrelerde düzenli otuz nanometrelik liflerin görülmediğini, kromatinin düzensiz ve değişken bir yığın hâlinde durduğunu yazar. Razin ile Gavrilov'un 2014 derlemesi de hücre çekirdeklerinde düzenli olarak görülen tek yapının on nanometrelik lif olduğunu aktarır ve interfaz kromatinini nükleozomların iç içe geçtiği bir polimer eriyiğine benzetir. İstisnalar vardır. Maeshima denizyıldızı spermini ve tavuk alyuvarını sayar, McGinty ile Tan da tavuk alyuvarında lifin izlerinin bulunduğunu aktarır ve lifin sanıldığı kadar yaygın olmayabileceğini yazar.

OpenStax'in şeması deney tüpünde olanı doğru anlatır; yanıldığı yer, hücrenin her zaman öyle yaptığını söylemesidir. Nükleozomun üstündeki düzenin, yani ipin çekirdek içinde hangi bölgelere ve döngülere ayrıldığının ayrıntısını Genomun Üç Boyutlu Düzeni dersi açacak.

Koyu ve soluk

Kesitteki gri tonların adı eskidir. Wikipedia'nın heterokromatin maddesi, hücre döngüsü boyunca koyu boyanmış kalan bölgeleri gören botanikçi Emil Heitz'in bu bölgelere heterokromatin adını verdiğini anlatır; Maeshima da ökromatin ile heterokromatini boyanma farkından ilk ayıranın Heitz olduğunu yazar. OpenStax sıkı paketlenmiş bölgeye heterokromatin, daha seyrek olanına ökromatin der.

Wikipedia'nın maddesine göre yapısal (constitutive) heterokromatin tekrarlı dizilerce zengindir ve hemen her hücrede sıkı kalır, fakültatif (facultative) heterokromatin ise hücre tipine ve gelişim evresine göre değişir. Shevelyov'un 2023 derlemesinde yapısal olan sentromer çevresini ve kromozom uçlarını kaplar, fakültatif olan kromozom kollarında sessiz adacıklar kurar. Ayrıntıları Ökromatin ve Heterokromatin dersi işleyecek.

Koyu bölgelerin yerleri rastgele değildir. Shevelyov erken elektron mikroskobu gözlemlerinin kromatinin çekirdeğe rastgele dağılmadığını gösterdiğini, çoğu hücre tipinde heterokromatinin çekirdek zarfına yakın durduğunu, çekirdeğin içindeki yoğun cisimlerin, yani nükleolusların çevresini sardığını ve ökromatinin daha içeride kaldığını yazar. Porların önündeki soluk huniler de bilinen bir görüntüdür. Boumendil ve arkadaşlarının 2019 çalışması, elektron mikroskobunda porların altındaki alanın heterokromatinden yoksun göründüğünü aktarır; Krull ve arkadaşlarının 2010 çalışması bu heterokromatinsiz bölgelerin kurulmasını por sepetindeki bir proteine bağlamıştır.

Nükleer Zarf dersinde emerinin laminaya ve kromatine tutunduğunu, Nükleer Por Kompleksi dersinde de çekirdek yüzündeki sepeti görmüştük; kesitteki desen bu iki bağlantının izini taşır.

Sıkı paketin anlamı erişimle ilgilidir. Hücre Tipi ve İşlev Özelleşmesi dersinde her hücrenin aynı genomu taşıdığını, farkın genlerden yapılan seçkide olduğunu görmüştük. DNA'yı okuyacak proteinler sıkı istiflenmiş bir bölgeye güç ulaşır; Shevelyov asetilasyon artırılınca heterokromatin bölgelerinin gevşeyip içeri kaydığını aktarır. Paketin en sıkı hâlini bölünen hücre gösterir: OpenStax kromozomların en yoğun hâline metafazda ulaştığını yazar, ayrıntısı Mitoz dersine kalır. Bir bölgenin gevşeyebilmesi ise bir maddenin o bölgeyi bir kişide istenen yönde gevşettiğini göstermez.

Cuma akşamı bodrumda

Barlas defterine bir merdiven çiziyor. En altta düz bir çizgi: "2,1 m, 6,2 milyar baz çifti". Üstüne boncuklu bir ip: "147 + bağlayıcı ≈ 200, 30 milyon boncuk, ≈ 6 kat". Onun üstüne kalın bir tüp çizip üzerine soru işareti koyuyor, yanına "deney tüpünde var" yazıyor. En üste kesitin kopyası: kenarda koyu kuşak, porların önünde huniler, ortada gri. Sayfanın köşesine bir oran düşüyor: "10 µm → 2,1 × 10⁵; yer darlığı değil, düzen."

Meliha Hanım kesiti yeniden açıp ortadaki iri cisme gidiyor. Koyu halkanın içinde farklı dokuda, birbirine sokulmuş bölgeler seçiliyor. "Bu ne zarlı, ne de boş," diyor. "Pazartesi buna bakacağız."

Kendini sına

1. Haploit bir hücre çekirdeğinde kaç metre DNA bulunur? Sekiz mikrometrelik bir çekirdek için sıkıştırma oranını hesapla.
2. Nükleozom tekrar uzunluğu 200 yerine 180 baz çifti olsaydı, diploit bir çekirdekteki nükleozom sayısı nasıl değişirdi?
3. Histon kuyruklarındaki lizinler asetillendiğinde DNA ile histon arasındaki çekim neden azalır? Cevabını yük üzerinden kur.
4. Bir ders kitabı kromatini "DNA → nükleozom → 30 nm lif → ..." diye çiziyor. Bu şemanın hangi kısmı deney tüpünde, hangi kısmı hücrede gözlenmiştir?
5. Bir kesitte heterokromatin zarf boyunca uzanıyor, porların önünde kesiliyor. Bu desen zarftaki hangi yapılara bağlanabilir?

Bir sonraki derse köprü

Kesitteki koyuluğun büyük kısmını istiflenmiş kromatin olarak okuduk. Ortadaki iri, halkayla çevrili cisim ise ayrı bir yapı. Sıradaki Nükleolus dersinin sorusu bu: çevresinde zar olmadığı hâlde çekirdeğin içinde sınırları seçilen bu bölme nasıl bir arada durur, ribozomal RNA genlerinin toplandığı yer olarak ribozom alt birimlerini nasıl kurar ve çevresindeki heterokromatin halkası ona ne katar?