Epigenetik ve Optogenetik hayatımızı nasıl etkiliyor?

Beynimiz düşüncelerimizi, hatıralarımızı ve konuşmalarımızı, kol ve bacaklarımızın hareketlerini ve vücudumuzdaki birçok organın işlevini kontrol ediyor. Ve yüz milyarlarca nöron denilen hücrelerden oluşan inanılmaz derecede karmaşık bir devreye sahip. Peki bu kadar farklı hücrelere ve karmaşık devreye sahip olan beynimizin işleyiş şeklini nasıl bulacağız? Hangi hastalık, hangi hücreleri etkiliyor? Hastalığı önlemek için hangi hücreleri inaktif hale getirmeliyiz? Parkinson, epilepsi, kalp ritim bozuklukları, şizofreni gibi birçok nörönal hastalığın tedavisinde uygulamalar başarılı olabilecek mi?

Epigenetik ve Optogenetik hayatımıza nasıl etki ediyor?

Birçok nöranal hastalığın tedavisine çözüm bulmak amacıyla optogenetik bilimi doğmuş. Beynimizi bir bilgisayar olarak düşünecek olursak insan ürünü olan bilgisayar beynimizden farklı olarak çalışan bu bilgisayarların işlevinin kaç parçadan oluştuğunu ve hangi fonksiyona sahip olduğunu bilmemize rağmen binlerce belki de on binlerce farklı hücreden meydana gelen beynimizin çoğu hücrelerinin ne işe yaradığını henüz keşfetmiş değiliz.

Keşfetmeye çalıştığımız bu hücreler farklı şekillere giriyor, farklı karakteristik özelliklere sahipler ve beynin farklı yerlerine bağlanarak görevlerini yerine getiriyorlar. Ayrıca bu hücreler geçirilen hastalığa göre farklı davranıyorlar.

Optogenetik nedir? Beyni ışıkla kontrol mümkün mü?

Optogenetik, ışık sayesinde ve genetik yardımla beyin hücrelerini araştıran yeni gelişmekte olan bir bilim dalı; bir hücrenin işlevlerini hem izleyebilmek hem de kontrol edebilmek için genetik ve optik yöntemlerin birlikte kullanıldığı bir bilim dalı.[1]

Hücrelerin genetiği değiştirilerek ışığa duyarlı proteinleri sentezlemesi sağlanıyor ve daha sonra proteine uygun ışık kullanılarak hücrenin işleyişi izleniyor veya etkileniyor. Belli hücrelerin ışığa duyarlı hale getirilmesi ve uygun ışık sistemleri canlılarda belli işlevlerin non-invazif şekilde izlenmesini ve etkilenmesini hedeflemekte.[2]

Işığa duyarlı hale getirme işlemi rodopsin isimli ışığı algılayıp ona tepki veren proteinler tarafından gerçekleştirilmekte. Rodopsinler arkebakterilerden insanlara kadar çoğu canlının sentezlediği bir protein türü. Bu proteinlerden bazıları hücre zarında bulunan iyon kanallarını kontrol ediyor ve bu iyon kanallarının etkilenmesi sayesinde hücrenin uyarılması kontrol ediliyor.[3]

Optogenetik yöntemlerin önünde hala aşılması gereken büyük engeller bulunmakta. Buna rağmen migren ve epilepsi gibi anormal aktivite görülen, Alzheimer hastalığı gibi sinyal bozuklukları olan durumlarda optogenetik yöntemlerin önemli bir potansiyeli bulunmakta.

Genleriyle oynanmış hücrelerin ışık ile davranışlarının kontrol edilmesini içeriyor. Yakın gelecekte parkinson, epilepsi, kalpte ritim bozuklukları gibi birçok nörönal hastalığın tedavisinde başarılı bir şekilde uygulanabileceği tahmin ediliyor.[4]

Nöronlar birbirleriyle iletişim kuruyorlar

Nöronlar, elektriksel ve kimyasal aktivitenin kombinasyonu aracılığıyla iletişim kuruyor.[5] Bunu ilk kez keşfeden bilim insanları, bu gerçeği, gözlemleri ve zekice yaptıkları deneyler sayesinde keşfetmeyi başardılar.

Galvani ve Kurbağa Deneyi

1700’lerin sonlarında, Luigi Galvani adında bir İtalyan bilim insanı, şimşekli bir fırtına sırasında bir pazarda yürüyordu. Satılık kurbağa bacağı gördü ve seğirdiğini fark etti. Fırtınanın elektriğinin kurbağa bacağındaki sinirleri harekete geçirdiği hipotezinden yola çıkarak, bunu laboratuvarında test etmeye karar verdi. Galvani, kurbağa sinirine bir elektrik akımı iletmek için elektrot adı verilen elektrik akımının akmasına izin veren bir nesne kullandı. Bu, kurbağa bacağının seğirmesine neden oldu. Böylelikle, küçük bir elektrot yerleştirip dokuya bir elektrik akımı göndererek nöronları veya sinir yollarını aktive etmeye yönelik nörobilimdeki ilk elektriksel stimülasyon çalışması gerçekleştirilmiş oldu.[6]

Bu deneyden yola çıkan Galvani, nöronların bilgi iletmek için elektrik sinyallerini kullanabileceği sonucuna vararak bunu bilmenin oldukça önemli olduğunu, çünkü artık nöronların birbirleriyle nasıl iletişim kurduğunun bilinmesiyle onların dilini konuşmaya başlayabilir ve bazı nöronları çalıştırmak için elektrik sinyallerini kullanabilir ve olacakları gözlemleyebildiğimiz sonucuna ulaşabiliriz açıklamasını yapıyor.

Peki ya epigenetik?

Epigenetik ise çevremizin genlerimize bağlı kimyasalları değiştirerek genlerimizi nasıl etkilediğinin incelendiği bilim dalı. Epigenetiğe göre ne yediğimiz, fiziksel aktivite seviyemiz, kaynaklara erişimimiz ve birçok faktör bu kimyasalları etkiliyor ve sağlığımızı şekillendiriyor.[7]

Epigenetik, bilim insanlarının hastalıkların neden meydana geldiğini anlamalarına ve tedavi için yeni yollar keşfetmelerine yardımcı olabilir diye düşünülüyor ve araştırmalar devam ediyor.

Epigenetik: Genlerin çalışma şekli değiştirilebilir mi?

Genlerimiz genellikle kontrolümüz dışında olan etkenler olarak düşünülür. Ve genlerimizi biyolojik ebeveynlerimizden miras alıyoruz, dünyaya geldiğimiz andan itibaren, bu genler göz rengimizden belirli hastalıklara yakalanma riskimize kadar hakkımızda birçok şeyi belirliyor. O zaman da ya bu genlerin çalışma şeklini, sağlığımızı iyileştirecek şekilde değiştirebilseydik hayatımız nasıl olurdu sorusuyla baş başa kalıyoruz.

Epigenetik değişikliklerin etki alanları

Bilim insanları, epigenetik değişikliklerin vücudumuzu ve hastalık süreçlerimizi nasıl etkilediğine dair araştırmalar yapmayı sürdürüyor.

Son araştırmalara göre[8]; epigenetik değişikliklerin etkili olabileceği alanlar şunlar:

• Epignetik değişiklikler metabolizmanızın çalışmasını değiştirebiliyorlar.
• Yaşlanma süreci ve yaşlanmaya bağlı hastalıklar ile bağlantılılar.
• Parkinson hastalığı, Alzheimer hastalığı ve zihinsel engelliliğe neden olan sendromlar dahil olmak üzere beyninizi etkileyen bozukluklar üzerinde etkililer.
• Kanser gelişiminde rolleri var.
• Madde kullanım bozuklukları ile bağlantılılar.
• Astım ve otoimmün hastalıklar da dahil olmak üzere iltihaplanma üzerinde etkililer.

Epigenetik konusunda çalışmalarını devam ettiren bilim insanlarının odaklandıkları diğer konular[9] ise şöyle:

• Epigenetik değişikliklerin çeşitli tıbbi rahatsızlıklara nasıl sebep olduğunu veya bunlarla birlikte nasıl ortaya çıktığını öğrenmek,
• Bazı hastalık risklerini azaltmak için günlük hayatımızda neler yapabileceğimizi bulmak,
• Epigenomu hedef alan yeni tedaviler geliştirmek.

Epigenomu Ne Değiştirebilir?

Epigenomunuz sayısız etken tarafından şekillendiriliyor. Bunlardan bazıları daha biz doğmadan önce bile etkisini göstermeye başlıyor.[10, 11] Bazıları şöyle sıralanıyor:

• Biyolojik annemizin hamileliğimiz sırasında yediği besinler.
• Hamilelik döneminde biyolojik annemizin genel sağlık durumu ve rahatlığı.
• Bebeklik ve çocukluk döneminde beslenme biçimimiz.
• Küçük yaşta yaşadığımız travmalar.
• Küçük bir çocukken yetişkinlerle yaşadığımız öğrenme deneyimleri ve etkileşimlerimiz.
• Hava kirliliği, egzoz veya sigara dumanı gibi toksinlere maruz kalışımız.
• Plastik, BPA gibi kimyasallara veya kurşun veya kadmiyum gibi ağır metallerden etkilenişlerimiz.
• Bazı reçeteli ilaçların kullanımı.
• Alkol, tütün ve uyuşturucu gibi maddelerin tüketimi.
• Yetişkinlik döneminizde yediğimiz besinler.
• Fiziksel aktivite düzeyimiz.
• Günlük hayattaki stres seviyemiz.
• İlişkiler ve sosyal etkileşimlerimiz.
• İçinde yaşadığımız toplum ile uyum ya da uyumsuzluklar.
• Sağlık hizmetlerine erişim.

Epigenetik etkenler nelere sebep olabilir?

Bilim insanları bu maruziyetlerin ve karşılaşmaların hücrelerinizde nasıl değişikliklere yol açtığını araştırmaya devam ediyor. Genel anlamda bu faktörler hücrelerinizin nasıl çalıştığını etkileyen DNA’nızda epigenetik izler oluşturuyor.

Örneğin; epigenetik etkenler, hücrelerin genomumuzun belirli kısımlarını okumasını engelleyebilir. Bu da belirli bir genin açık olması gerektiğinde kapatılması veya susturulması anlamına geliyor. Sonuç olarak, hücrelerimiz bu genleri okuyamaz ve bizi sağlıklı tutmak için gerekli tüm görevleri yerine getiremeyebilirler. Örneğin tümörlerin büyümesini durduramıyorlar.

Bazı zararlı epigenetik değişiklikler kısa süreli ve geri döndürülebilir yapıda olsa da bazı epigenetik değişiklikler ise ömür boyunca sürüyor ve geri döndürülemiyor.

Sağlığımızı destekleyen epigenetik etkenler neler?

Bazı epigenetik etkenler ise sağlığımızı destekleyici ve koruyucu yapıda olabiliyor. Örneğin, bir bebeği öğrenmesi için bolca teşvik etmek, önümüzdeki yıllarda zihinsel ve fiziksel sağlıklarını destekleyen olumlu epigenetik değişikliklere yol açabiliyor.

Ebeveynlerimizden aldığımız genleri seçemiyoruz ve dış etkenleri tamamen kontrol edemiyoruz. Yine de bizi ve çocuklarımızı ‘besleyen’ tüm faktörleri bilmek, sağlıklı bir epigenomu desteklemek için mümkün olan her şeyi yapmamıza yardımcı olabiliyor.

Epigenomumuzu olumlu yönde nasıl etkileyebiliriz?

Bilim insanları yaptığımız belirli seçimlerin pozitif epigenetik değişiklikleri destekleyebileceğine ve zararlı değişikliklerin risklerini azaltabileceğini söylüyor.[12-16] Bunlardan bazıları şöyle:

• Sağlıklı ve Besleyici Yiyecekler Tüketmek: Bir diyetisyenden, sağlık ihtiyaçlarımıza ve yaşam tarzımıza uygun beslenme planı oluşturmak için destek almak.
• Fiziksel Aktivite Yapmak: Fiziksel aktivite yapmak için daha fazla zaman ayırarak ouşturacağımız egzersiz planını oluşturmak.
• Alkolü sınırlandırmak ve tütün ürünlerinden uzak durmak.
• Stresi yönetmek için mümkün olduğunca rahatlamaya ve gevşemeye çalışarak meditasyon, yoga, doğa yürüyüşleri, sakin bir müzik dinlemek, dans etmek ve benzerlerini uygulamak.

Video: Explained: Optogenetics (MIT) – Optogenetiğin açıklanması

Kaynaklar:

1. 1. Shimizu-Sato S, Huq E, Tepperman JM, Quail PH (October 2002). “A light-switchable gene promoter system”. Nature Biotechnology. 20 (10): 1041–1044. doi:10.1038/nbt734. PMID 12219076. S2CID 24914960. https://www.nature.com/articles/nbt734
   2. Guo ZV, Li N, Huber D, Ophir E, Gutnisky D, Ting JT, et al. (January 2014). “Flow of cortical activity underlying a tactile decision in mice”. Neuron. 81 (1): 179–194. doi:10.1016/j.neuron.2013.10.020. PMC 3984938. PMID 24361077. https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(13)00924-0
   3. Lak A, Okun M, Moss MM, Gurnani H, Farrell K, Wells MJ, et al. (February 2020). “Dopaminergic and Prefrontal Basis of Learning from Sensory Confidence and Reward Value”. Neuron. 105 (4): 700–711.e6. doi:10.1016/j.neuron.2019.11.018. PMC 7031700. PMID 31859030. https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(19)30982-1
   4. Kravitz AV, Freeze BS, Parker PR, Kay K, Thwin MT, Deisseroth K, Kreitzer AC (July 2010). “Regulation of parkinsonian motor behaviours by optogenetic control of basal ganglia circuitry”. Nature. 466 (7306): 622–626. Bibcode:2010Natur.466..622K. doi:10.1038/nature09159. PMC 3552484. PMID 20613723 https://www.nature.com/articles/nature09159
   5. Lovinger DM. Communication networks in the brain: neurons, receptors, neurotransmitters, and alcohol. Alcohol Res Health. 2008;31(3):196-214. PMID: 23584863; PMCID: PMC3860493. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3860493/
   6. Galvani’s Frog Leg Experiment. The Institution of Engineering and Technology (IET). https://www.theiet.org/membership/library-and-archives/the-iet-archives/archives-highlights/galvanis-animal-electricity-experiments
   7. Baccarelli A, Bollati V. Epigenetics and environmental chemicals. Curr Opin Pediatr. 2009 Apr;21(2):243-51. doi: 10.1097/mop.0b013e32832925cc. PMID: 19663042; PMCID: PMC3035853. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3035853/
   8. Alegría-Torres JA, Baccarelli A, Bollati V. Epigenetics and lifestyle. Epigenomics. 2011 Jun;3(3):267-77. doi: 10.2217/epi.11.22. PMID: 22122337; PMCID: PMC3752894. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3752894/
   9. Handy DE, Castro R, Loscalzo J. Epigenetic modifications: basic mechanisms and role in cardiovascular disease. Circulation. 2011 May 17;123(19):2145-56. doi: 10.1161/CIRCULATIONAHA.110.956839. PMID: 21576679; PMCID: PMC3107542. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3107542/
   10. Epigenomics Fact Sheet. U.S. National Human Genome Research Institute. (August 16, 2020) https://www.genome.gov/about-genomics/fact-sheets/Epigenomics-Fact-Sheet
   11. Epigenetics, Health, and Disease. U.S. Centers for Disease Control and Prevention (CDC): Genomic and Your Health. https://www.cdc.gov/genomics-and-health/epigenetics/index.html
   12. Tobi EW, Slieker RC, Luijk R, Dekkers KF, Stein AD, Xu KM; Biobank-based Integrative Omics Studies Consortium; Slagboom PE, van Zwet EW, Lumey LH, Heijmans BT. DNA methylation as a mediator of the association between prenatal adversity and risk factors for metabolic disease in adulthood. Sci Adv. 2018 Jan 31;4(1):eaao4364. doi: 10.1126/sciadv.aao4364. PMID: 29399631; PMCID: PMC5792223. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29399631/
   13. Pidsley R, Dempster E, Troakes C, Al-Sarraj S, Mill J. Epigenetic and genetic variation at the IGF2/H19 imprinting control region on 11p15.5 is associated with cerebellum weight. Epigenetics. 2012 Feb;7(2):155-63. doi: 10.4161/epi.7.2.18910. PMID: 22395465; PMCID: PMC3335909. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22395465/
   14. Chandran A, Antony C, Jose L, Mundayoor S, Natarajan K, Kumar RA. Mycobacterium tuberculosis Infection Induces HDAC1-Mediated Suppression of IL-12B Gene Expression in Macrophages. Front Cell Infect Microbiol. 2015 Dec 2;5:90. doi: 10.3389/fcimb.2015.00090. PMID: 26697414; PMCID: PMC4667035. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26697414/
   15. Tang Q, Cheng J, Cao X, Surowy H, Burwinkel B. Blood-based DNA methylation as biomarker for breast cancer: a systematic review. Clin Epigenetics. 2016 Nov 14;8:115. doi: 10.1186/s13148-016-0282-6. PMID: 27895805; PMCID: PMC5109688. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27895805/
   16. Chan SCH, Liang JQ. Advances in tests for colorectal cancer screening and diagnosis. Expert Rev Mol Diagn. 2022 Apr;22(4):449-460. doi: 10.1080/14737159.2022.2065197. Epub 2022 Apr 15. PMID: 35400293. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35400293/

Epigenetik: Annenin davranışları bebeğin DNA’sını etkileyebiliyor