Çevresel Mutajenler

Kuvars küvet ve altı plaka

Çarşamba sabahı laboratuvarın dış kapısı açık; ovadan gelen rüzgâr taş duvarların serinliğini dağıtmış. Zelal tezgâhın bir ucuna karartma perdesi germiş: arkasında morötesi lamba, kuvars küvet ve küvette nötr tamponda saflaştırılmış DNA. Lamba beş ve on dakika yanmış, alınan örnekler komşu iki pirimidini birbirine bağlı yakalayan bir antikorla zara emdirilmiş. Çizelgede milyon nükleotit başına önce 0,3, beşinci dakikada 42,0, onuncu dakikada 86,0 okunuyor.

Tezgâhın öbür ucunda altı petri kabı var: hepsinde histidin yapamayan bir Salmonella suşu ve histidinsiz besiyeri, üçünde ayrıca sıçan karaciğerinden hazırlanmış enzim karışımı. Kaplarda sırayla yanmış bitkisel malzemenin kondensatı, küflenmiş yemin özütü ve laboratuvarın doğrudan etkiyen kıyas maddesi var. Karışımsız sırada 24, 21 ve 240 koloni sayılmış, karışımlı sırada 310, 268 ve 250; denetim kabında 18.

"İlk iki madde karışım yokken denetim kabından ayrılmıyor," diyor Zelal. "Üçüncüsü karışımı umursamıyor. Bu üçü aynı işi yapıyorsa aradaki fark nereden geliyor?"

Dışarıdan gelenin sorusu

Pazartesi hasarı üreten şey kapalı tüplerin kendi kimyasıydı. Bugünün sorusu başka: ışık, duman ve küfün ürünü DNA'ya hangi değişikliği bırakır, bunların bazısı neden ancak hücrenin enzimlerinden geçince iş görür, ve genomdaki harf değişikliklerine bakan biri dış izi yaşla birikenden nasıl ayırır?

Metin

Işığın bağladığı komşular

Morötesi ışık bir bazı koparmak ya da aminosunu sökmek yerine iki komşu bazı birbirine bağlar. Wikipedia'nın pirimidin dimeri maddesi en sık ürünü, iki komşu pirimidinin aralarında yeni kovalent bağlar kurmasıyla oluşan siklobütan halkalı yapı diye tanımlar; ikinci üründe halka farklıdır ve adı altı–dört fotoürünüdür. Aynı madde en sık bağlanan komşuluğun timin–timin olduğunu, bu ürünleri sökme işini insanda nükleotit eksizyon onarımının yaptığını yazar.

Gerald Pfeifer'in 2020'de Genome Instability & Disease'de yayımlanan derlemesi iki ürünün payını karşılaştırır: altı–dört fotoürünleri siklobütan dimerlerinden belirgin biçimde seyrektir, kimi koşulda toplam dimer düzeyinin yüzde birkaçı kadar kalır. Güneşin daha uzun dalga boylu bileşeni de dimer yapar, ama belirgin bir düzeye çıkmak için çok yüksek ışınım gerekir; altı–dört fotoürünü o bölgede saptanmaz.

Zelal'in çizelgesinde eğim (86,0 − 0,3) ÷ 10 ≈ 8,6, ilk beş dakikada 42,0 ÷ 5 = 8,4; oluşum ışık süresiyle aşağı yukarı doğrusal. Onuncu dakikanın sayımı pazartesi kullandığımız paydaya çevrilince 1,24 × 10¹⁰ × 86,0 × 10⁻⁶ ≈ 1,07 × 10⁶ eder, iç kaynaklı hasarın günlük alt ucunun yüz katından fazla. Küvette ne deri var ne onarım enzimi; sayı perdenin arkasındaki lambaya aittir.

Kopyalama bu ürünlerin üstünden geçerken yanlış harf çıkar. Pfeifer'in derlemesi dimer içine sıkışmış sitozinin amino grubunu yitirmeye yatkın olduğunu, deaminasyondan sonra dimerde urasil bulunduğunu ve lezyonu aşan özel bir polimerazın karşısına adenin koyduğunu anlatır; sonuç C'nin T'ye dönmesidir. Melanom genomlarında bu değişikliklerin yüzde doksanından çoğu komşusu pirimidin olan bir sitozinde, en çok TC ve CC komşuluklarında oturur; iki komşu sitozinin birlikte ikiye dönmesi de derlemenin en bilinen morötesi işareti dediği değişikliktir.

Kucab'ın birlikte çalıştığı ekip 2019'da Cell'de halkayı deneyle kapadı: 79 ajana verilmiş 324 insan kök hücresi hattından 41'i kendine özgü bir ikame imzası bıraktı, benzetilmiş güneş ışınımı da güneşle ilişkili kanserlerin imzasını 0,94 kosinüs benzerliğiyle yineledi. COSMIC kataloğunda güneş gören deri melanomlarının imzaları SBS7a ile SBS7b, ardışık CC → TT'den kurulu çift ikame imzası ise DBS1 adıyla durur; pangenom kataloğunu 2020'de yayımlayan ekip de her ikisini aynı etkene verir.

İki tür mutajen ve karaciğerli plaka

Plakalardaki asıl ayrım kimyasaldır: bazı maddeler DNA'ya olduğu gibi saldırır, bazıları hücrenin dönüştürücü enzimlerinden geçmeden iş görmez. Düz endoplazmik retikulumu işlediğimiz derste karaciğer hücresinin borucuklarındaki sitokrom P450 ailesinin yabancı maddeleri daha kolay atılan biçimlere soktuğunu okumuştuk; aynı dönüşüm bazı maddeleri yolun ortasında DNA'ya yapışacak kadar tepkimeye hazır hâle getirir.

Bruce Ames ve ekibi 1970'lerin başında Berkeley'de bu iki durumu tek plakada ayıran bir düzen kurdu. Wikipedia'nın maddesine göre düzenin bakterileri histidin biyosentez genlerinde mutasyon taşıyan Salmonella typhimurium suşlarıdır; histidinsiz besiyerinde yalnız mutasyonu geri dönmüş hücreler ürer ve koloni sayısı mutajen gücünün ölçüsüdür. Sıçan karaciğeri özütü isteğe bağlı eklenir, çünkü bazı bileşiklerin kendileri değil metabolitleri mutajendir.

Plakalar bu mantıkla okunuyor: kondensat karışımsız sırada 24 ÷ 18 ≈ 1,3 kat, karışımla 310 ÷ 18 ≈ 17 kat; küf özütü 21 ÷ 18 ≈ 1,2 ve 268 ÷ 18 ≈ 15 kat; kıyas maddesi iki sırada da 240 ve 250, yani enzimlerden bağımsız 13 kat dolayında. Kondensatın göreli dozu 1, 2 ve 4 birimde koloni sayısı 310, 596 ve 1.180 çıktı; kendiliğinden geri dönüşü çıkarıp doza bölünce (310 − 18) ÷ 1 = 292, (596 − 18) ÷ 2 = 289, (1.180 − 18) ÷ 4 ≈ 290, yani yanıt sabit eğimle artıyor.

McCann ile Ames'in 1975'te PNAS'ta yayımladığı taramada karsinojen bilinenlerin 174'ünün 156'sı, yani 156 ÷ 174 ≈ yüzde 90'ı bakteride mutajen çıkmıştı; oran sonraki çalışmalarda daha düşük bulundu ve bakteride mutajen çıkmak bir maddeyi karsinojen ilan etmeye yetmez.

Dumanın guanine bıraktığı iri leke

Tütün dumanının en çok çalışılmış bileşenlerinden biri benzo[a]pirendir. Wikipedia'nın maddesi onu eksik yanmada oluşan çok halkalı aromatik bir hidrokarbon olarak tanıtır ve dönüşümünü sıralar: sitokrom P450 1A1 ile epoksit, epoksit hidrolaz ile dihidrodiol, yine aynı enzimle asıl karsinojen metabolit olan dihidrodiol epoksit. Christmann ile Kaina'nın ekibi 2016'da Nucleic Acids Research'te bu metabolitin guaninin halka dışındaki ikinci konumundaki azota bağlandığını, lezyonu aşan polimerazın onun karşısına adenin yerleştirdiğini ve ürünün nükleotit eksizyon onarımıyla söküldüğünü anlatır. Sonuç G'nin T'ye dönmesi, karşı zincirden okunduğunda C → A; pazartesi tanıdığımız anlamda bir transversiyon.

Alexandrov'un ekibi 2016'da Science'ta tütünle ilişkisi bilinen türlerden 5.243 kanser genomunu inceledi. Dokuya doğrudan duman değen kanserlerde öne çıkan imza, yazarların deyişiyle tütün karsinojenlerinin yol açtığı hasarın yanlış kopyalanmasının sonucudur; ağırlıkla C → A değişikliklerinden kuruludur ve zincirler arasında asimetri gösterir, çünkü guanindeki hacimli katılma ürünleri okunan zincirde transkripsiyonla eşleşmiş onarımla öncelikle temizlenir. Aynı imza, hücrelere benzo[a]piren verilerek elde edilen imzaya 0,94 kosinüs benzerliğindeydi; Kucab'ın ekibi çok halkalı hidrokarbon imzalarını tütün imzasına 0,84 ile 0,95 arası benzer buldu. COSMIC bunu SBS4 adıyla kaydeder.

Maruziyetin miktarı sayıya dönüşüyor. Aynı çalışma, günde bir paket içilen her yıl için dokularda biriken fazladan mutasyonu akciğerde 150, larinkste 97, farinkste 39, ağız boşluğunda 23, mesanede 18 ve karaciğerde 6 olarak hesapladı; Phillips'in 2018'de DNA Repair'de yayımlanan derlemesi aynı altı sayıyı aynı sırayla aktarır. Doku farkı 150 ÷ 6 = 25 kat, dumanın doğrudan değdiği iki doku arasında bile 97 ÷ 23 ≈ 4,2 kat. Günlük ölçeğe indirince 150 ÷ 365 ≈ 0,41 eder; pazartesinin on bin günlük hasarının yanında 10.000 ÷ 0,41 ≈ 24.000 kat fark görünür, yani hasar ile kalıcı harf arasındaki uçurum dışarıdan gelen etkende de duruyor.

Küfün ürünü ve tek bir kodon

Dışarıdan gelen her mutajen insan yapımı değildir. Aflatoksin B1'i Aspergillus flavus ile A. parasiticus küfleri üretir; Wikipedia'nın aflatoksin B1 maddesi onun tepkimeye hazır ekzo-8,9-epoksit biçimine yine sitokrom P450 eliyle çevrildiğini, sonra bazların arasına girip en çok guaninin yedinci konumundaki azotla katılma ürünü kurduğunu, karakteristik izin p53 geninin 249. kodonunda G'nin T'ye dönmesi olduğunu yazar. Qidong'da elli yıllık araştırmayı toparlayan 2025 derlemesi de baskın örüntüyü 249. kodonda kümelenen G → T transversiyonları olarak verir; aktardığı erken dizileme çalışmasında Qidong'dan gelen yedi karaciğer kanserinin yedisinde aynı değişiklik bulunmuştur. COSMIC bu imzayı SBS24 adıyla kaydeder.

Her dış etken harf değiştirmez: Behjati ve arkadaşları 2016'da iyonlaştırıcı ışınımın izini, radyasyon görmemiş tümörlere göre medyan 201 fazladan küçük silme olarak buldu.

İçeriyi dışarıdan ayırmak

Pazartesi SBS1'in yaşla birlikte, bir saat gibi biriktiğini görmüştük; dış etkenin izi başka davranır. Miktarı maruziyetle ölçeklenir ve dokuya bağlıdır: duman değen dokularda 150, değmeyende 6. Komşuluk bağlamı kimyayı ele verir, çünkü dipirimidin komşuluğundaki C → T ile herhangi bir komşuluktaki C → T aynı süreci göstermez. Zincirler arasındaki asimetri hasarın hacimli olduğunu söyler; iç kaynaklı küçük hasarlar böyle bir asimetri bırakmaz. Bir imzayı bir kimyasala bağlamanın en doğrudan yolu da onu hücrelere verip imzayı laboratuvarda yeniden elde etmektir.

Bu ölçütler bir kişinin neye maruz kaldığını söylemez; genom ölçeğinde süreç tanımaya yarar. Onarım kusurlarının bu desenleri nasıl bozduğu ilerideki kanser dersinin konusu.

Plakalar sayıldıktan sonra

Zelal çizelgenin arkasına dört satır geçiriyor: "(86,0 − 0,3) ÷ 10 ≈ 8,6"; "310 ÷ 18 ≈ 17, 240 ÷ 18 ≈ 13"; "(1.180 − 18) ÷ 4 ≈ 290"; "150 ÷ 6 = 25". Altına iki sütun ayırıyor: biri özütsüz iş gören madde için, öteki ancak özütle iş görenler için, başlığı "önce enzim, sonra DNA".

Hamiyet Hanım kapıyı kapatıyor. "Dışarısı hasarı iriletti," diyor. "Cuma tek bazlıklara dönüyoruz: pazartesinin boşluğunu, urasili ve yükseltgenmiş guanini hücre nasıl buluyor?"

Kendini sına

1. Karaciğer özütlü plakalarda koloni sayısını on beş kat artıran bir madde, özütsüz plakalarda denetim kabından ayrılmıyor. Bu madde için neyi ileri sürebilirsin, neyi süremezsin?
2. Kondensatın göreli dozu sekiz birime çıkarılsaydı, eğim sabit kalmak koşuluyla kaç koloni beklersin? Kendiliğinden geri dönüşü hesaba kat.
3. Morötesi verilmiş bir genomda C → T'nin komşuluk bağlamına bakmak neden gerekir?
4. Benzo[a]piren ile aflatoksin B1 guaninle katılma ürünü kurup G → T bırakıyor. İzlerini aynı genomda ayırmaya çalışsan nelere bakarsın?
5. Paket-yıl başına 150 fazladan mutasyon, günde iç kaynaklı on bin hasarın yanında küçük görünüyor. Bu karşılaştırma dış etkenin önemsiz olduğunu mu gösterir?

Bir sonraki derse köprü

Bugünün hasarları hacimliydi: sarmalı büken dimerler ve guanine yapışmış iri lekeler. Pazartesi sayılanlar tek bazlıktı — bazını yitirmiş bir şeker, sitozinin yerine geçmiş bir urasil, yükseltgenmiş bir guanin. Baz Eksizyon Onarımı dersi bu küçüklerin peşine düşecek: hücre doğru harflerin arasındaki yanlış bazı nasıl tanır, nasıl koparır, yerine ne koyar? Hacimli ürünleri sökecek yol kendi dersini bekliyor.