Epigenetik MR: Yeni bir DNA metilasyonu görüntüleme yöntemi

Beyin görüntüleme yöntemleri psikiyatri ve nöroloji alanında beynin işleyişini ölçmeyi hedefleyen MRG, fMRG, MRS, PET, qEEG gibi bir dizi tekniği kapsar.

Psikiyatri alanında hastalıkların biyolojik temsillerini araştırmada kritik öneme sahiptir. Örneğin; majör depresyon hastalığının biyolojik ve elektrofizyolojik belirteçleri vardır. Bu konuda; “Majör Depresif Bozuklukta Biyobelirteçler – 1, 2, 3” başlıklı yazı dizimizi inceleyebilirsiniz.

Yukarıda bahsedilen yöntemlerle beyindeki sinir hücrelerinin aktiviteleri üzerinden beyin işleyişi hakkında bilgi edinilmektedir. Sinir hücrelerinin aktivitesi oldukça kısa süreli milisaniyelik aktivitelerdir. Buna karşılık beyinde gen ifadesi (gene expression) günler içerisinde gerçekleşen daha yavaş aktivitelerdir ve zihnin gelişimsel hali hakkında bilgi verebilmektedir. Örneğin, yeni bir bilgiyi öğrenmek sinir hücrelerinde değişim yaratırken (sinaptik plastisite), bilgiyi uzun dönem bellekte saklama sinir hücresinin çekirdeğinde gerçekleşen DNA metilasyonu ve gen ifadesi ile mümkün olur. Dolayısıyla, beyin üzerindeki gen ifadesini görüntüleyebilecek yöntemler kalıcı öğrenme, bellek, zihinsel yaşlanma, nörolojik hastalıklar gibi konuların aydınlatılmasına büyük katkı sağlayabilir.

Bilim insanları ve biyomedikal alanda çalışan mühendisler, beyinde gen ifadesini ortaya koyabilecek çeşitli yöntemleri hayvan modelleri üzerinde çalışmakta. Bu yöntemler genelde girişimsel olduğu için insanlara uygulanamıyor. fMRI, PET gibi optik tekniklerle yapılan girişimsel olmayan denemeler ise genellikle birkaç gen ile sınırlı kalıp insan gen ifadesi hakkında kapsamlı bilgi veremiyor. Ancak, Illinois Urbana-Champaign Üniversitesi’nin yenidoğan domuzlar üzerinde uyguladığı yeni bir teknik ile (2021), beyindeki DNA metilasyonunun görüntülenebileceğini ortaya koyuyor.

Çalışmanın yazarları bu yeni tekniğe epigenetik MRI (eMRI) adını veriyor. Bu yönteminin temelinde özel bir amino asit ile (¹³C-Met) zenginleştirilmiş besinlerle beslenen yenidoğan domuzlarda bu molekülün kan beyin bariyerlerini geçerek DNA sarmalında etiketlenmesi ve akabinde Karbon-13 nükleer manyetik rezonans (¹³C NMR) ve manyetik rezonans spektroskopisi (MRS) ile görüntülenmesini içeriyor (Figür 1).

Figür 1 a- Yenidoğan domuzların besinlerinin metil-¹³C aminoasidi ile zenginleştirilmesi. b- Metil-¹³C molekülünün beyin bariyerini geçerek DNA sarmalına etiketlenmesi. c-¹³CNMR ile beynin tek hemisferindeki etiketlenmiş DNA oranının girişimsel olmayarak saptanması, diğer hemisferde DNA doku örneğiyle bu oranın girişimsel olarak belirlenmesi.

Denekler hem beslenme gününe göre (10 gün – 32 gün) hem de besin içeriğine (¹³C-met ile zenginleştirilmiş – normal besin) göre deney grubu ve kontrol grubu olarak dört gruba ayrılıyor. Deney sonunda beyindeki etiketli DNA molekülünün (¹³C-5mdC) toplam DNA molekülüne oranınındaki yüzdelik artış karşılaştırılıyor. Böylece etiketlemenin miktarı saptanıyor. Sonuçlar şu şekilde:

Kontrol grubuna göre, ¹³C-Met ile zenginleştirilmiş besinlerden 10 gün beslenen domuzlarda etiketli DNA molekülü oranı % 3-4 artış gösteriyor.
Bu oran, 32 gün boyunca beslenen deney grubunda %12’nin üzerinde.
32 gün beslenen deney grubundaki artış oranı 10 gün beslenen grubun 2 katı.
Etiketli DNA oranının artışı, beynin incelenen 8 bölgesinde de (frontal korteks, talamus, striatum, hipokampüs, perihinal korteks, orta beyin, serebellum, beyin sapı) görülüyor.
Deney grubunda ise etiketli DNA molekülünün toplam DNA molekülüne oranı sabit kalıyor.
Girişimsel bir yöntem olan beyin dokusu örneklerinde DNA’nın analizi, etiketlemeyi doğruluyor.

Araştırmacılar, deney grubunun 10-32 gün arasındaki etiketli DNA oranını beyin hacminin artmasına bağlanamayacak kadar büyük olduğunu dolayısıyla bu artışın yaşa bağlı olarak ya da öğrenme ve bellek oluşumu gibi bilişsel süreçlerin sonucu olan DNA metilasyonundan kaynaklandığını öne sürüyor. Bunun yanında epigenetik MR yönteminin her görüntüleme tekniğinde olduğu gibi bazı avantajları ve dezavantajları olduğunu belirtiyorlar:

Epigenetik MR yönteminin avantajları

Hem DNA etiketleme yönteminin (¹³C-Met ile zenginleştirilmiş besinler), hem de görüntüleme yönteminin (13C NMR ve MRS) girişimsel olmaması, dolayısıyla insanlar üzerinde uygulanabilmesi.
Gen ifadesini düzenleyen DNA metilasyonunu canlı olarak (in vivo) ölçebilmesi.
Beyindeki genel bir gen aktivitesi hakkında bilgi verebilmesi.

Epigenetik MR’ın yaratabileceği dezavantajlar

Karbon-13 nükleer manyetik rezonans görüntüleme yöntemi hassaslığı düşük bir tekniktir. Ancak çalışmada bu problem iyi bir etiketleme yöntemi, yüksek teknolojili görüntüleme cihazı ve gelişmiş sinyal işleme yöntemleri kullanılarak giderilmeye çalışılmış.
¹³C-Met, DNA metilasyonunun yanında RNA ve başka protein metilasyonunda yer alabilir. Araştırmacılar RNA’daki bu değişimin DNA’dan daha hızlı gerçekleştiğini ve oransal olarak görülme oranının çok daha düşük olduğu yine de bu alanda daha çok çalışma yapılması gerektiği söylenmektedir.

Araştırmacılar son olarak bu tekniğin tıpkı diğer görüntüleme teknikleri gibi genel bir aktivite hakkında bilgi verebileceğini belirtip ileriki çalışmalarda qEEG ve fMRI yöntemleriyle ölçülen nöral aktivite ile eMR ile ölçülen DNA metilasyonu ve gen ifadesi arasındaki ilişkinin incelenmesi gerektiğini vurguluyor.

KAYNAK:
– Lam F, Chu J, Choi JS … and Li KC (2021-preprint). Epigenetic MRI: Noninvasive Imaging of DNA Methylation in the Brain. Doi: 10.1101/2021.08.20.457113