Sentromer, ökaryotik kromozomlarda mitoz ve mayoz bölünme sırasında kardeş kromatitlerin doğru şekilde ayrılmasını sağlayan özel bir kromatin bölgesidir. Bu bölge, mikrotübüllere bağlanan kinetokor adlı çok bileşenli protein kompleksinin oluştuğu yapısal platformu oluşturur. Sentromer, kromozomların hücre kutuplarına doğru çekilmesini sağlar ve genom bütünlüğünün korunmasında merkezi rol oynar. Işık mikroskobu altında genellikle kromozomun ortasında yer alan ve boyanma yoğunluğu açısından farklılık gösteren "birincil boğum" (primary constriction) olarak tanımlanır.

Sentromerin önemi 19. yüzyılın sonlarında mitoz bölünmenin mikroskobik gözlemleri sırasında fark edilmiştir. Bu bölgenin mikrotübüllerle bağlantı kurduğu ve kromozomların kutuplara çekilmesini sağladığı anlaşılmıştır. Başlangıçta genetik olarak tanımlanmaya çalışılan sentromerin daha sonra yapılan moleküler ve epigenetik analizlerle asıl kimliğinin epigenetik işaretler tarafından tanımlandığı ortaya konmuştur. Bu epigenetik işaretlerin merkezinde yer alan unsur, histon H3’ün özel bir varyantı olan CENP-A proteinidir.

Sentromer yapısı evrimsel olarak oldukça değişkendir. Farklı türlerde sentromer bölgesinin konumu ve DNA dizisi çeşitlilik gösterse de sentromer fonksiyonu hücre bölünmesinde korunmuş bir rol üstlenir. Özellikle hominid genomlarında sentromerlerin çoğunluğu işlevsel olarak belirli alpha-satellit dizileriyle ilişkili olsa da bu ilişki zorunlu değildir; neosentromer oluşumu gibi olaylar sentromerin yeniden programlanabilirliğini ortaya koyar.

1995 yılında Cytogenetics and Cell Genetics dergisinde yayımlanan klinik çalışmada, kadınlarda yaşlanmaya bağlı olarak periferik lenfositlerde mikronükleus oluşumu ve X kromozomu kaybı arasındaki ilişki incelenmiştir. Helsinki’deki Finlandiya Mesleki Sağlık Enstitüsü’nden araştırmacılar, 30 yaş altı ve 50 yaş üstü kadınlardan alınan lenfositlerde mikronükleuslardaki kromozom varlığını analiz etmiştir. Yaşlı kadınlarda sentromer içeren mikronükleus oranı (%51,5), genç kadınlara göre (%34,3) anlamlı olarak yüksek bulunmuştur. Aynı şekilde X kromozomu pozitif mikronükleus oranı yaşla birlikte artmış ayrıca otozom içeren mikronükleuslarda da benzer bir yaşa bağlı artış gözlenmiştir. Bu bulgular, yaşlanma sürecinde özellikle sentromer içeren mikronükleusların belirgin şekilde arttığını ve bunun kromozom kaybının temel bir mekanizması olabileceğini göstermektedir.^【3】 

Genetik Bileşen: Alpha-satellit DNA

İnsan sentromerlerinin genetik temeli alpha-satellit (α-satellit) DNA dizileriyle oluşturulmuştur. Bu diziler, her biri 171 baz çifti uzunluğunda olan tekrar eden monomerlerden meydana gelir. Bu monomerler kromozoma özgü şekilde organize olmuş higher-order repeat (HOR) yapılar oluşturur. HOR dizileri 0,3 ile 5 megabaz arasında değişen uzunluklara sahiptir ve bu diziler belirli kromozomlarda karakteristik bir şekilde düzenlenmiştir. Her kromozomun kendine özgü bir α-satellit HOR yapısı vardır; örneğin kromozom 17'nin 16-mer'lik bir tekrarı varken kromozom X’in 12-mer’lik farklı bir dizilimi olabilir. Ayrıca aynı kromozom üzerinde birden fazla HOR varyantı bulunabilir. Bu farklılıklar sentromer organizasyonunun yüksek düzeyde modüler ve mozaik olduğunu gösterir.

CENP-A bağlanması, tüm α-satellit dizileri boyunca eşit dağılmaz. Sadece belirli HOR kümeleri üzerinde CENP-A içeren nükleozomlar oluşur. Bu CENP-A zengin bölgeler, sentromer işlevinin gerçekleştiği epigenetik olarak işaretlenmiş “çekirdek bölgeleri” oluşturur.

Epigenetik Bileşen: CENP-A Nükleozomları

CENP-A, histon H3'ün özel bir varyantı olup nükleozomal düzeyde sentromer kimliğinin epigenetik belirleyicisidir. CENP-A’nın nükleozom içinde yer alması klasik H3 nükleozomlarından yapısal olarak farklı bir konformasyon oluşturur. DNA, CENP-A içeren nükleozomlara klasik nükleozomlara kıyasla daha az sarılır. Bu da kromatin yapısını daha açık ve erişilebilir hâle getirir.

CENP-A, sadece nükleozom yapısını değiştirmekle kalmaz; aynı zamanda kinetokor proteinleri için bir platform sağlar. CENP-C, CENP-N gibi iç kinetokor bileşenleri doğrudan CENP-A ile etkileşerek kinetokor iskeletinin montajını başlatır. Bu protein-protein etkileşimleri, mikrotübüllere bağlanabilen dış kinetokor yapılarını organize eder. CENP-A dağılımı, α-satellit diziler içinde sıkı kümelenmiş adacıklar şeklindedir. Bu kümeler hem fiziksel hem de fonksiyonel olarak sabittir ve kardeş kromatitlerin her birinde simetrik biçimde bulunur. DNA dizisi tekrarlayıcı olsa bile CENP-A yalnızca belirli konumlara bağlanır; bu bağlanma, epigenetik olarak düzenlenmiş nükleozomal çevreye bağlıdır. Yapılan ChIP-seq ve long-read sequencing analizleri, bu CENP-A bölgelerinin transkripsiyonel olarak aktif olmasa da yüksek derecede korunmuş yapılar olduğunu göstermektedir.

1998 yılında Cell dergisinde yayımlanan derlemede, sentromer kimliğinin belirlenmesinde epigenetik mekanizmaların temel rol oynadığı vurgulanmaktadır. Ökaryotik organizmalarda özellikle bölgesel sentromerlerin yalnızca DNA dizisine değil, epigenetik işaretlere bağlı olarak tanımlandığı belirtilmiştir. Farklı türler arasında yapılan karşılaştırmalar sentromerle ilişkili uydu DNA dizilerinin korunmadığını; hatta yakın akraba türlerde bile belirgin farklılıklar gösterdiğini ortaya koymuştur. Bu da sentromer işlevinin diziden ziyade uydu DNA’nın tekrar yapısı, "Adenin + Timin" baz oranı ve kromatin özellikleri gibi genel yapısal özelliklerle belirlendiğini düşündürmektedir. Ayrıca epigenetik işaretlerin hücre bölünmesi sırasında nasıl korunabildiği de ele alınmıştır. Örneğin, aktif sentromer bölgelerinde düşük asetillenmiş histonların bulunması bu yapının epigenetik olarak kalıcı bir biçimde korunmasını sağlar. Bununla birlikte sentromere özgü CENP-A proteininin belirli hücre döngüsü fazlarında üretilip kromatine yerleşmesi bu yapının zamanlamaya bağlı olarak kopyalandığını göstermektedir.^【5】 

Sonuç olarak sentromer işlevi yalnızca DNA dizisine dayanmaz; epigenetik olarak düzenlenmiş kromatin yapısı, bu kritik bölgenin tanımlanmasında belirleyicidir. Bu durum sentromerlerin yer değiştirerek kromozomal yeniden düzenlemelere uyum sağlamasını mümkün kılar ve aynı zamanda eşey kromozom eşleşmesi, DNA replikasyonu ve gen düzenlenmesi gibi diğer kromozomal işlevlerin de epigenetik temelli olabileceğini göstermektedir.

Sentromerik ve Perisentromerik Kromatin Ayrımı

Sentromer yapısı, işlevsel ve yapısal olarak iki ana bölgeye ayrılır. Sentromerik çekirdek bölgesi (core centromere), α-satellit DNA’nın belirli HOR dizilerinden oluşur ve CENP-A içeren nükleozomlar bu bölgede konumlanır. Kinetokorun iç bileşenlerinin (CENP-C, CENP-N) montajına olanak tanıyan bu bölge, mitoz ve mayoz sırasında mikrotübüllerin bağlandığı platformun merkezini oluşturur. Perisentromerik kromatin ise genellikle satellite II ve III dizileri ile temsil edilir ve H3K9me3 ile HP1 gibi heterokromatik işaretlerle tanımlanır. Kohezin halkaları bu bölgede toplanır ve kardeş kromatit kohezyonu burada düzenlenir. Ayrıca bu bölge kromozomal segregasyonun düzgün ilerlemesi için mekanik dayanıklılık sağlar. Perisentromerik bölgeler, sentromerik CENP-A kümeleri etrafında üç boyutlu olarak çevrelenmiştir ve bu organizasyon, kinetokor-mikrotübül bağlantısının mekanik olarak istikrarlı olmasını sağlar.

Üç Boyutlu Kromatin Organizasyonu

Sentromer kromatini, lineer değil modüler ve üç boyutlu bir yapıya sahiptir. CENP-A kümeleri, HOR yapıları boyunca kümelenmiş şekilde yer alır ve bu kümeler, çevreleyen α-satellit bölgelerden epigenetik olarak ayrılır. CENP-A'nın bağlandığı bölgeler, hem kromatin konformasyonunun hem de kinetokorun montajının mekânsal düzenlenmesini sağlar.

Long-read dizileme ve epigenetik haritalama yöntemleri bu CENP-A kümelerinin sabit olduğunu ve hücre döngüsü boyunca istikrar gösterdiğini ortaya koymuştur. Ayrıca kardeş kromatitlerdeki CENP-A kümeleri simetrik yerleşim gösterir ve bu sayede kinetokorlar eşlenik şekilde oluşur. CENP-A kümelenmesi, kinetokorun çoklu mikrotübül bağlanma noktalarını destekleyecek şekilde yapılandırılmıştır. Böylece kinetokor aynı anda birden fazla mikrotübül ucu ile temas kurabilir. Bu organizasyon hem kromozom hareketliliği hem de kromozomal gerilme yanıtı açısından önem taşır.

^

Yapılan bir çalışmada, RNA polimeraz II’nin (RNAPII) transkripsiyon uzamasının, CTCF tarafından yönlendirilen ve kohezin aracılığıyla oluşturulan kromatin döngülerini bozduğu gösterilmiştir. Transkripsiyon özellikle gen sonlarında döngü çözümlerine ve kromatin yapısının gevşemesine neden olmakta; RNAPII'nin ilerlemesi kohezini CTCF bağlanma bölgelerinden uzaklaştırarak bu etkileri tetiklemektedir. İnfluenza A virüsünün NS1 proteini aracılığıyla transkripsiyon sonlanmasının engellendiği durumlarda, RNAPII gen sonlarının ötesine geçerek kromatin döngülerini ortadan kaldırmakta kompakt yapıları çözmekte ve heterokromatin bölgelerinde B’den A kromatin kompartmanına geçiş sağlamaktadır. Transkripsiyon baskılandığında ise kohezin yeniden toplanmakta ve döngüsel yapı tekrar oluşmaktadır.^【6】 

Bu bulgular, transkripsiyon uzamasının yalnızca genetik ifade değil aynı zamanda sentromer gibi epigenetik yapılarla ilişkili üç boyutlu genom mimarisini de dinamik biçimde etkilediğini göstermektedir.