GENETİK REGÜLASYON VE HASTALIKLARI

Transkript

1 GENETİK REGÜLASYON VE HASTALIKLARI Dr. Selma Yılmaz Tıbbi Biyoloji Bölümü 1 Referans Kitaplar: Lodish, Alberts Molecular Cell Biology, Mol Biol and Gene>cs

2 Gen Ekspresyonu Nasıl Regüle Edilir? Yaşamak için, hücreler çevrelerindeki değişikliklere cevap vermek zorundadır. Gen ekspresyonu (protein üretimi) nun kontrolü, bir hücrenin fonksiyonel bütünlüğünün devamı için zorunlu olan bir özelliktir. Gen ekspresyonundaki (Protein üretimindeki) iki ana basamağın transkripsiyon ve translasyon regülasyonu, bu adaptasyon için çok önemlidir. Gen ekspresyonu, DNA-RNA transkripsiyonu aşamasından, proteinin posttranslasyonal modifikasyonlarına kadar herhangi bir aşamasında ayarlanabilir (modüle edilebilir). Yani, bu işlemlerin kontrolü bir hücrede, hangi proteinlerin ve hangi miktarda olacağını belirleme de çok önemli bir rol oynar. q Prokaryot ve ökaryotların her ikisinde de, gen ekspresyonu asıl olarak transkripsiyon düzeyinde, genellikle protein üretim işleminin en başında 2 transkripsiyonun başlatılması- aşamasında regüle edilir.

3 Dört temel moleküler genegk işlemine genel bakış Protein üre>mine yol açan üç işlem (1-3) ve DNA nın replikasyonu işlemi (4) daha öce anlaqldı. Virüsler konakçı-hücrenin düzeneğini kullanmaları dolayısıyla, bu işlemleri anlamada önemli modeller olmuşlardır. 3

4 Transkripsiyonun Regülasyonu Transkripsiyon hızının kontrol edilmesine, regülatör proteinler (factors) yardım ederler. Bu regülatör proteinler (faktörler), genel ve özel transkripsiyon proteinleri, transkripsiyonu aktive eden RNA polymerase (prokaryotlarda sigma (σ) faktör ve ökaryotlarda TFIID), aktivatör (uyarıcı) ve represör (baskılayıcı) proteinleri içerirler. Bu regülator proteinler, prokaryotik ve ökaryotik gen bölgeleri ile ilişkili olan spesifik DNA dizilerine (regülatör elementler) bağlanırlar. DNA daki regülatör elementler, basal promoter (TATA box ve başlama bölgesi yakınındaki diğer diziler), enhancers (artırıcılar) ve silencers (susturucular) içerirler ve protein üreten genlerin ekspresyonunu kontrol ederler. Transkripsiyon hızının kontrol edilmesinde, başka mekanizmalar da önemlidir ve özellikle ökaryotlarda gen ekpresyonu, bir çok seviyede konrol edilmektedir. 4

5 Transkripsiyonun Ayarlanması DNA ya yukarılarda (upstream) bir yerde, bir aktivatör (activator) protein bağlanması proteinleri promoter bölgeye çekebilir bu RNA polimerazı (green) ve yani transkripsiyonu aktive eder. DNA bir aktivator protein ve RNA polymerase aktivitesini yönlendiren diğer proteinler (mediator) arasındaki bu bağlantıyı sağlamak için kendisini halka gibi büker (loop) Nature Education 5

6 PROKARYOTLARDA GENETİK REGÜLASYON q Bakterilerin çoğunda ve diğer tek-hücreli organizmalarda, gen ekspresyonu, hücrelerin çevrelerindeki değişikliklere uyum sağlaması için yüksek oranda regüle edilir. q Bir bakteri hücresi normal olarak bütün proteomunun içinden, sadece o anki koşullarında canlılığını sürdürmesi için gerekli olan proteinlerini sentezler. q Prokaryotlarda gen ekpresyonunun regülasyonu genellikle, ya transkripsiyonun başlatılması veya terminasyonu (sonlanması) nunu kapsar. 6

7 Prokaryotlarda Gen Ekspresyonunun Regülasyonu Prokaryotlarda, protein sentezi regülasyonu asıl olarak transkripsiyon düzeyinde olur, operonlar (operons) olarak bilinen genetik birimlerle bağlantılıdır. Operonlar, promoter (P) bölge içerir, bu bölgeye proteinler bağlanır ve RNA polimerazın (polymerase) bağlanmasını kolaylaştırır veya inhibe ederler. RNA polymerase bir operonun yapısal genlerini kopyaladığı (transkibe) zaman, polisistronik (polycistronic) bir mrna (birden fazla polipeptidi kodlayan bir mrna) üretilir. 7

8 Prokaryotlarda Gen Ekspresyonunun Regülasyonu 1. Protein sentezinin besin kaynaklarıyla ilişkisi 2. Operonlar 3. Indüksiyon 4. Katabolit represyonu 5. Represyon 6. Positif kontrol 7. Attenuasyon 8

9 1. Protein sentezinin besin kaynaklarıyla ilişkisi A. Prokaryotlar, besin kaynaklarındaki değişikliklere enerjiyi en etkili şekilde sağlamaları veya saklamak sağlayacak şekilde cevap verirler. Prokaryotes, E. coli gibi, şunlara gereksinim duyar: 1. Enerji sağlamak için okside etmek üzere bir karbon kaynağı (genellikle bir şeker, tercihen glukoz). 2. Yapısal proteinler ve enzimlerin üretmek üzere amino asitlerin sentezi için bir azot (nitrogen) kaynağı. 9

10 1. Protein sentezinin besin kaynaklarıyla ilişkisi B. E. coli, ortamda varolduğu sürece, tercihen glukozu kullanır. Glukozun kullanım yollarındaki enzimler konstitütif olarak (constitutively; örn., devamlı şekilde üretilirler). C. Eğer ortamda glukoz yoksa, ancak başka bir şeker varsa, E. coli, hücreye bu şekerden enerji üretmesini sağlayacak proteinleri ve enzimleri üretir. İndüksiyon (Induction) enzimlerin sentezlenmelerinin kontrol (regüle) edilmesi işlemidir. D. Eğer ortamda bir amino asit varsa, E. coli, bulunan amino asiti sentezlemeye gerek duymaz ve onun sentezinde gereken enzimlerin üretimini durdurma yoluyla enerji tasarrufu yapar. Represyon bu enzimlerin sentezlenmelerinin kontrol (regüle) edilmesi işlemidir. 10

11 A. Bakterilerde, genler genellikle operonlar içersinde organize olurlar. q Bir operon, bir yapısal gen topluluğudur. q Bir operondaki genlerin hepsi koordineli şekilde regüle edilir; yani, hepsi birden aynı şekilde ya aktive edilir (başlatılır) ya da baskılanır (durdurulur). B. Bir operonun yapısal genleri, farklı bir grup proteini kodlar. q Operondaki genlerin sıralanma-düzeni, kodlanan proteinlerin özel metabolik yoldaki birbirini takip eden fonksiyonlarına paraleldir. q Bir bakteriyal operon tek bir başlama bölgesinden başlayarak, bir polisistronik mrna (sistron: gen) üretir. q Polisistronik mrna üzerinde bulunan bir dizi start (başlama) ve stop kodonları translasyon aşamasında tekbir mrna farklı proteinlerin üretilmesini sağlar. 11 Operonlar

12 Prokaryotlarda Gen Ekpresyonunun Regülasyonu q E. Coli de, genlerin yaklaşık olarak yarısı operonlar da toparlanmıştır. Örnekler, Bir trp operon trytophanın biyosentezinde gereken beş enzimi kodlayan beş gen içerir and lak operon süt de bulunan bir şeker olan laktoz metabolizması için gereken üç enzimi kodlayan üç gen içerir. q Bakterilerdeki transkripsiyonel kontrolün ana hatları E. Coli deki laktoz (lak) operonları üzerinden tartışılacaktır. 12

13 E. Coli Operonları C. Transkripsiyon, yapısal genlerin yukarısında (upstream, 5 kısmına) yerleşmiş olan bir promoter bölge yakınında başlar. q Promoter bölge, bu genlerin regülasyonunu koordine eder. q RNA polimerazın sigma (σ) subunitesinin bir operonun promoter bölgesine bağlanması,transkripsiyonun başlatılmasındaki ilk aşamadır. 13

14 E. Coli Operonları D. Represörler operatör dizlere bağlanan proteinlerdir. q Operator, kısa bir dizidir, promotorla ilişkilidir (promotorla birleşik veya hemen yakınında), genlerin ekprese edilip edilmeyeceğini tayin eder. q Bir repressör proteinin operatör bölgesine bağlanması RNA polimerazın promotor bölgeye bağlanmasını engellediğinden operonun yapısal genlerinin transkripsiyonunu inhibe eder. q Repressör proteinler, genomun herhangi bir yerinde yer alabilen regülatör genler tarafından kodlanır. q Eğer operator bölgede represörün bir nedenle bağlanamayacağı bir mutasyon oluşursa bu, operonun devamlı (constitutive) ekspresyonu ile sonuçlanır. 14

15 Operonların represörlerle regülasyonu. Represörler Represör protein operatöre bağlandığında, RNA polymerase bağlanamaz, ve transkripsiyon olmaz. Structural:yapısal 15 Transkripsiyon olmaz Protein üretilmez

16 Indüksiyon A. İndüksiyon (Induction) bir indükleyici (inducer) nin (küçük bir molekül) bir operonun transkripsiyonunu uyarması işlemidir. B. İndükleyici genellikle bir şekerdir (veya şeker metaboliti) ve indüklenebilen (inducible) bir operondan üretilen enzimler şekerin metabolize edilmesini sağlarlar. q Bu bakteri hücrelerinin, ortamlarındaki çeşitli besinlerin konsantrasyonlarındaki değişikliklere cevap vermede spesifik genlerin transkripsiyonunu regüle etmelerini sağlar. (1) İndükleyici represöre bağlanır, inaktive eder. (2) İnaktif represör operatöre bağlanmaz. (3) RNA polymerase, dolayısyla, promotera bağlanabilir ve operonu transkribe eder. (4) Operon tarafından kodlanan yapısal proteinler üretilir. 16

17 Indükleyiciler İndüklenebilen bir operon (örn., lac operon). (1) Eğer ortamda indükleyici varsa, indükleyici represöre bağlanır, inaktive eder. (2) İnaktif represör operatöre bağlanmaz. (3) RNA polymerase, dolayısyla, promotera bağlanabilir ve operonu transkribe eder. (4) Operon tarafından kodlanan yapısal proteinler üretilir. 17

18 The Laktoz (lak) Operon C. Laktoz (lak) operon indüklenebilen bir operondur. (1) Laktoz metaboliti olan allolactose, indükleyici (inducer) dir. (2) Lac operonu genleri tarafından üretilen proteinler hücrenin bir enerji kaynağı olarak laktozu metabolize etmesini sağlarlar. Gene Z a-galaktozi daz; gene Y, laktoz permeaz;gen A, transasetilaz üretir. (3) Lak operon sadece glukoz yokluğunda indüklenir. Katabolit represyonu sergiler. Lak ( lac) Lac O: operator Lac P: promoter laci: Regülatör gen: represör geni 18

19 4. Katabolit Represyonu A.Hücreler uygun olduğunda tercihen glukozu kullanırlar. B. Bazı operonlar (örn., lac) ortamda glukoz varsa ekprese edilmezler. Bu operonlar ekpresyonları için camp ye gerek duyarlar. (1) Glukoz hücrelerde camp düzeylerini düşürür, activasyonu önler. (2) Glukoz azaldığında, düşük glukoz konsantrasyonuna cevaben camp düzeyleri artar. (3) camp, camp-bağımlıkatabolit aktivatör proteine (CAP) bağlanır. (4) camp CAP compleksi promoter yakınındaki CAP bölgesine bağlanır ve RNA polimerazın promoter a bağlanmasını kolaylaştırır. 19

20 4. Laktoz (lak) Operonunun Katabolit Represyonu C. Lak (lac) operon katabolit represyonu sergiler. Lak operonunun genleri laktoz varsa ve glukoz yoksa veya düşük miktarda ise ekprese olur. 1. Lactose varlığında ve glukoz yokluğunda, lak repressor inaktive edilir, ve yüksek camp düzeyi, RNA polimerazın promotera bağlanmasını kolaylaştırır. 2.Operon kopyalanır (transkribe edilir),ve hücrelerin laktozu kullanmasını sağlayacak olan proteinler üretilir. Lak repressor proteini, i geni tarafından kodlanır. i geni devamlı şekilde (constitutively) eksprese edildiğinden, hücrede herzaman repressor proteinler bulunur. q Lac repressor protein operatora bağlanır, transkripsiyon olmaz. q (Allo)lactose (indükleyici), varlığında, laktose represör proteine bağlanır ve inhibe eder. 20

21 Laktoz (lac) operonunun katabolit Represyonu A. Glukoz ve laktoz varlığında Glukoz varsa, transkripsiyon olmaz B. Laktoz varlığı ve glukoz yokluğunda Yapısal genler 21

22 E. Coli lac operonunun transkripsiyonunun regülasyonu Transkripsiyon başlama bölgesi E. coli transkripsiyon-kontrol bölgeleri mrna transkripsiyonu yok Düşük transkripsiyon 22 Yüksek transkripsiyon

23 5. Represyon A. Represyon (baskılama), bir korepresörün (corepressor; küçük bir molekül) bir operonun transkripsiyonunu inhibe etmesi işlemidir. B. Korepresör genellikle bir amino asittir ve represe edilebilen operondan üretilen proteinler amino asitin sentezinde yer alırlar. C. Tryptophan (trp) operon represe edilebilir.tryptophan korepresördür. 6. Positif Kontrol Bazı operonlar (örn., arabinoz (ara) operon) transkripsiyonu aktive eden mekanizmalarla açılır. 7. Attenuasyon (attenuation) A. Bakteri hücrelerinde, transkripsiyonla translasyon aynı anda olur. B. Attenuasyon, yeni yapılmış transkriptin hızlı translasyonuyla ortaya çıkan bir mekanizma yoluyla oluşur, transkripsiyonun sonlanmasına yol açar. C. Trp operon, diğer bazı amino asit sentezleyen diğer bazı operonlar gibi, attenuasyon ile regüle edilir. 23

24 Represyon Ko-represörler 24 Transkripsiyon olmaz Proteinler üretilmez

25 Tyrptophan (Trp) operon Tryptophan (trp) operon, Tryptophan ın aşamalı sentezinde gerekli olan beş enzimi kodlayan beş geni (mavi) içeren Tryptophan operon, E. Coli kromozomunun kesin>siz devam eden bir bölümüdür. trp mrna (kırmızı) Beş proteinin sentezi için başlama bölgeleri (yeşil)

26 Sigma Faktörleri Gibi Faktörler RNA Polimerazların AkGvitesini Etkiler q Sigma faktörü gibi faktörler, RNA polimeraza bağlanarak, RNA polimerazın aktivitesini etkiler ve spesifik promoterlara bağlanma kapasitesini artırır. q Hücredeki her çeşit RNA yı sentezleyen, bir tane prokaryotik RNA polimeraz vardır. Her RNA polymerase molekülü sadece bir tane sigma faktör subünitesi içerir. q E. Coli deki major sigma faktörü, sigma (σ) faktor -70 dir, ancak daha az miktarda olan başka sigma faktörleri de vardır. q E. Coli bütün RNA polimerazları tarafından transkripsiyonun başlatılması, transkripsiyon başlama bölgesi yakınına bağlanan represör ve aktivatörler tarafından regüle edilebilir (Sigma faktör σ 54 içeren RNA polimerazlar hariç). 26

27 Transkripsiyon başlatma mekanizmalarının diğer örnekleri 1. Sigma-54 faktörü olan RNA polimerazlar tarafından gerçekleşen transkripsiyon promoterdan uzağa bağlanan aktivatörler tarafından kontrol edilir. 2. Bakteriyal cevapların çoğu iki-bileşenli regülatör sistemler tarafından kontrol edilir. 27

28 Sigma-54-RNA polimerazlar tarafından gerçekleşen transkripsiyon q Sigma 54 RNA polimeraz (σ 54 -azot (nitrogen)-sınırlayıcı sigma faktör- ) tarafından transkripsiyonu yapılan genler, genellikle başlama bölgesinden yaklaşık 100 baz çifti yukarı kısımda (upstream) bulunan güçlendiricilere (enhancers) bağlanan aktivatörler tarafından regüle edilirler. q Aktivatör ile polimeraz etkileştiğinde, ikisinin bağlanma bölgeleri arasında ki DNA bir halka (loop) yapar. Fosforlanmış NtrC dimerleri 28 Örnek: σ -54-akGvatör NtrC protein (nitrogen regulatör protein C) glna geninin promotorundaki transkripsiyonu uyarır.

29 Bakteriyal cevapların çoğu iki-bileşenli regülatör sistemler tarafından kontrol edilir: q İki-bileşenli regülator sistemlerde, bir protein ortamdaki besin seviyesini veya diğer bileşenleri izleyerek sensör (gözcü) görevi yapar, ve ikici protein respons (cevap) regülatörü gibi davranır, böylece spesifik genlerin transkripsiyonunu uyarır veya baskılar. İKİ-BİLEŞENLİ REGÜLATOR SİSTEMLER 29

30 Ökaryotlarda Gen Ekspresyonunun Regülasyonu q Çok hücreli canlılarda, gen ekpresyonunun kontrolü asıl amacı, doğru gelişimsel kararı vermektir öyleki, embriyo gelişimi ve doku farklılaşması sırasında doğru genler doğru hücrelerde ekprese edilir. q Ökaryotlarda da, bakterilerde olduğu gibi, gen ekpresyonunun regülasyonunda ana sistem transkripsiyonal kontroldur. 30

31 Ökaryotlarda Gen organizasyonu, transkripsiyonu ve translasyonu Maya (yeast, Saccharomyces cerevisiae) da tryptophan sentezi için gerekli olan enzimleri kodlayan beş gen dört farklı kromozom üzerinde taşınır.

32 Ökaryotik gen Ekspresyonunun regülasyonu şu şekilde yapılabilir: 1. Genlerdeki değişikliklerle (Kromozom (DNA) modifikasyonları), spesifik kromozomların veya kromozom bölgelerinin inaktivasyonu 2. Nükleus içerisinde transkripsiyon düzeyinde regülasyonlarla. Chromatin remodelling 3. mrna işlenmesi ve transportu veya mrna stabilitesiyle 4. Sitoplazmada gerçekleşen translasyonla 32

33 Ökaryotlarda Transkripsiyon İçin Genlerin Uygunluğunun Regülasyonu q Hücreler farklılaşır ve farklı genler transkripsiyon için uygun olur. q Tipik bir ökaryotik hücre nükleusu yoğun (heterokromatin) ve gevşek (ökromatin) içerir. q Inaktif genler heterokromatinde toplanmıştır ve ökromatin (aktif genler) mrna üretir. 33

34 Ökaryotlarda Transkripsiyon İçin Genlerin Uygunluğunun Regülasyonu q Hücresel genom histonlarla nükleozomlar içerisine paketlenmiştir, transkripsiyonun başlatılması, eğer promoter bölgesi bir nükleozomun parçasıysa engellenmiştir q Ökaryotlarda, transkripsiyon için bir genin aktivasyonu, kromatinde bir durum değişikliği gerektirir, buna chromatin remodelling denilir. q Bazı hücrelerde, bazı koşullarda, DNA nın büyük kısmına ulaşılması (genlerin transkripsiyona uygunluğu) gen yeniden düzenlenmeleri ( rearrangements), gen kayıpları (deletion) veya artırılmaları (amplification) ile de etkilenebilir. 34

35 1. Genlerdeki değişiklikler A. Spesifik kromozomlar veya kromozom bölgesi inaktive edilebilir. Örneğin, bir kadının her bir hücresindeki bir X kromozomu heterokromatine yoğunlaştırılarak inaktive edilir (Barr bodiler). B. Genler hücrelerden kaybolur (veya kısmen kaybolur) öyleki fonksiyonel proteinler daha fazla üretilemez. Örneğin, farklılaşma sırasında kırmızı kan hücreleri C. Genler artırılabilir. Gen artırımı normal hücrelerdeki olağan bir fizyolojik gen ekpresyonu regülasyonu değildir Örneğin, onkogenler çok kopyalıdır (bazı meme kanserlerinde erb). 35

36 1. Genlerdeki değişiklikler D. Gen (DNA) yeniden düzenleme (rearrangement). DNA kısımları genomda, bir yerden başka yere hareket edebilir, birbirleriyle çeşitli biçimlerde ilişki kuararlar, böylece farklı proteinler üretilir. Örneğin,Lenfosit farklılaşması sırasında, ağır-zincir (heavy-chain) geni, prekürsör hücrelerin DNAsındaki çok sayıdaki potensiyel dizilerden spesifik kısımların kombinasyonu ile oluşturulmuştur. 36 Rearrangement of DNA.

37 E. DNA daki bazların modifikasyonu bir genin transkripsiyonal akgvitesini etkiler. DNA meglasyonu (methylagon) 1. Sitozin, me>llenebilir, sıklıkla, promotor bölgede bulunan CpG adacıklarında 2. Me>lasyon arxkça, gen transkripsiyonu azalır. (a) Globin genleri noneritroid hücrelerde, ekprese edildikleri eritroid hücrelere oranla çok daha fazla me>llenir. (b) Kadınlar ve erkekler için farklı me>lasyon modelleri olması imprin>ng in temelini oluşturur. c. DNA metilasyonu genetik İmprinting te genleri susturur (silencing) (Prader-Willi and Angelman syndromes) Genlerdeki değişiklikler

38 Lokal kromatin modifye eden aktivitelerle transkripsiyon düzeyinin regülasyonu q Esasen, DNA kromatin yapısında paketlenmiştir ve gen ekpresyonu olması tipik olarak aktivasyon gerektirir. q Örn., histon asetilasyonu/deasetilasyonunu içeren kromatin-modifye edici aktiviteler q Histone asetilasyonu, çok sayıda genin gen ekspresyonunu artırır. q Sıklıkla, DNA metilasyonu ve histone deasetilasyonu gen suskunluğunda (gene silencing), DNA nın daha sıkı paketlenmesi için sinyaldir, bu gen ekpresyonunu azaltır. q DNA metilasyonu genetik imprinting de genleri suskunlaştırır (Prader-Willi and Angelman syndromes). q Son yıllarda, DNA metilasyonu, histon modifikasyonu ve kodlanmayan RNA-bağlı gen suskunluğu (silencing) gibi modifikasyonların epigenetik değişiklikleri başlatıp sürdürenler 38 olduğu düşünülmektedir.

39 2. Regulation of the level of transcription A. Histon (histone) lar,ökaryotik DNA ile bağlanan proteinlerdir, nonspesifik reseptörler gibi davranırlar. Histon asetilaz aktivitesi genellikle transkripsiyonu yapılacak olan DNA bölgesine bağlanan transkripsiyon faktörleriyle ilişkilidir, DNA dan histonların uzaklaştırılmasını kolaylaştırır. Histone asetilasyon (acetylation) histonlar ve DNA arasındaki yükü azaltır, çok sayıda genin gen ekspresyonunu artırır. Histone deasetilasyon (deacetylation) histonların DNA ile yeniden bağlanmasını sağlar, geni suskunlaştırır Heterokromatin (chromatin) histonların DNA ile sıkı bağlanmasıdır ve genomun transkripsiyonal açıdan inaktif bölgelerini temsil eder. Ökromatin (euchromatin) genomun transkripsiyonel açıdan aktif olan bölgelerini temsil eder, bu kısımlarda histonların DNA ile bağlanması azalmıştır. 39

40 a) represör-yönlendirimli histon deasetilasyon Maya transkripsiyon kontrolünde öngörülen histon deasetilasyonu (deacetylation) ve hiper asetilasyon (hyperacetylation) mekanizmaları 40 b)aktivatör-yönlendirilmiş histon hiperasetilasyonu

41 Ökaryotik Gen Kontrolüne Genel Bakış ve RNA Polimerazlar Ökaryotlarda gen ekspresyonunun kontrolü prokaryotlara göre çok daha komplekstir. Genel olarak, çok sayıda regülatör protein (faktör) işin içindedir ve regülatör bağlanma bölgeleri transkripsiyonunu promoter bölgeslerinden çok uzakta olabilir. Ayrıca, ökaryotik gen ekspresyonu genellikle birlikte hareket eden çeşitli regülatör proteinlerinin kombinasyonuyla regüle edilir, bu gen ekspresyonu kontrolünde daha fazla esneklik sağlar. 41

42 Transkripsiyonun Ayarlanması DNA ya yukarılarda (upstream) bir yerde, bir aktivatör (activator) protein bağlanması proteinleri promoter bölgeye çekebilir bu RNA polimerazı (green) ve yani transkripsiyonu aktive eder. DNA bir aktivator protein ve RNA polymerase aktivitesini yönlendiren diğer proteinler (mediator) arasındaki bu bağlantıyı sağlamak için kendisini halka gibi büker (loop) Nature Education 42

43 Protein-Kodlayan Genlerdeki Regülatör Diziler q Ökaryotik protein-kodlayan genler genellikle, başlama bölgesi yakınında veya uzağında yer alan çoklu protein-bağlanma kontrol bölgeleri (transkripsiyon kontrol bölgeleri) aracılığıyla regüle edilirler. q Farklı hücre tiplerinde, aynı genin transkripsiyonunu farklı kontrol bölgeleri kontrol edebilir. 43

44 Protein-Kodlayan Genlerdeki Regülatör Diziler q Ökaryotlarda, bakterilerde olduğu gibi, RNA polymerase, promoter (başlatıcı) denilen özel bir DNA dizisine bağlanır ve bir genin transkripsiyonunu başlatır. q Promoter lar RNA polymerase II nin direk olarak DNA ya bağlanmasını yönlendirirler,transkripsiyon başlatılma bölgesini tayin ederler, ve transkripsiyon hızını etkilerler. q Ökaryotik DNA da en yaygın olan promoter dizi, TATA box (kutusu) tır. 44

45 ÖKARYOTİK RNA POLİMERAZLAR Üç çeşit ökaryo>k RNA polimeraz (polymerases) vardır: RNA polymerases Yer sentezlenen RNA örneği RNA polymerase I nucleolus rrnas RNA polymerase II nucleoplasm mrna RNA polymerase III nucleoplasm trna Transkripsiyon faktörleri, örneğin RNA polimeraz II için TFIID gibi, transkripsiyonun başlaqlmasına yardımcı olurlar. Terminasyon için gereklilikler tam olarak bilinmemektedir. 45

46 Protein-Kodlayan Genlerdeki Regülatör Diziler 46 Promoter-proximal (yakını) elementleri başlama bölgesinin yukarısında 200 baz çiflik alanda yer alırlar ve özel bir geni regüle etmeye yardımcı olurlar. q Enhancer lar (güçlendiriciler),çok sayıda kısa kontrol elementleri içerirler, promotorun yukarısında veya aşağısında 2oo baz çiftinden başlayan kilobazlarca uzak mesafede, intron içerisinde veya genin sonuncu eksonundan aşağıda yer alabilirler q Promoter-proximal elementleri ve enhancer lar sıklıkla hücretipi-spesifiktir, sadece spesifik farklılaşmış hücre tiplerinde fonksiyon yaparlar. q Ökaryotlarda represörlere bağlanan benzeri dizilere susturucu (silencer) denilir. Aktivite mekanizmaları tam bilinmemektedir.

47 Enhancer lar (Güçlendiriler) Sadece hepatositlerde sentezlenir Diğer hücrelerde de sentezlenir 47 Fare transthyretin (TTR) geninin transkripsiyon-kontrol bölgesi. TTR hepatositlerde transkripsiyonu nda gereken beş aktivatör için bağlanma bölgeleri gösterilmiştir. indicated.

48 Transkripsiyon Aktivatör ve Represörleri Transkription faktörleri (aktivatörler ve represörleri): q Transkripsiyonu uyarırlar veya represe ederler q Ökaryotik DNA da promoter-proximal elementlere veya enhancer lara bağlanırlar. q Genellikle modüler proteinlerdir. Transkripsiyon faktörleri iki tip bölge içerirler: 1. Bir DNA-bağlanma bölgesi 2. Bir veya birden fazla aktivasyon bölgeleri (aktivatörler için) veya represyon bölgesi (represörler için) q Farklı bölgeler sıklıkla esnek polipeptid kısmı aracılığıyla birbirine bağlanırlar. 48

49 Transkripsiyon faktörleri Ökaryotik transkripsiyon faktörlerinin DNA-bağlayan bölgelerinde yaygın olarak bulunan yapısal motifler arasında zinc finger (çinko parmak), leucine zipper (fermuar), helixturn-helix (heliks-sarmal-heliks), homeodomain protein bulunur. DNA-bağlayan motifler DNA daki hedef bölgelerindeki major groove ile ilişki kuran bir veya daha fazla heliks içerirler. Bir aktivasyon bölgesi transkripsiyon faktörünün diğer transkripsiyon faktörlerine, RNA polimeraz II ye ve kromatinmodifiye eden proteinlere bağlanmasını, dolayısyla transkripsiyonun başlatılmasını uyarmasını sağlar. 49

50 Zinc Finger (Çinko Parmak) DNA-Bağlanan Bölge: Zinc Finger Proteinleri Homodimerik lösin-zipper ve basit helix-loop-helix (bhlh) proteini ile DNA arasındaki etkileşim 50 Drosophila (meyve sineği) Homeodomain proteini. Fossil müzesi

51 Transkripsiyon Aktivatör ve Represörleri q Transkripsiyon faktörleri belli zamanda belli bir hücrede eksprese edilirler. q Transkripsiyonal kontroldaki kombinasyonal kompleksite, monomerlerin alternatif kombinasyonlarından ve kontrol bölgeleri oluşturmak için transkripsiyonal faktörlerinin kooperatif bağlanmasından kaynaklanır. 51

52 Farklı Hücre Tipleri/Regülatörlerin Spesifik Kombinasyonları Farklı hücreler karakteristik transkripsiyonal regülatör seti sentezlerler. Aslında, multiorganizmalar geliştikçe, bu organizmalardaki farklı hücreler regülatörlerin spesifik kombinasyonlarını aktif yapar veya durdurur. Bu tip gelişim modeli olgun organizmadaki çeşitli hücre tiplerinin sorumlusudur Nature Education

53 Transkripsiyonun Aktivasyon veya Represyon Mekanizması Ökaryotik transkripsiyon aktivatörleri ve represörleri aktivitelerini daha çok multisubunit ko-aktivatörlere veya ko-represörlere bağlanarak gösterirler. Mediator, Başka bir çeşit koaktivatör, Polimeraz II transkripsiyon başlama öncesi kompleksinin bir araya getirilmesini Polimerase II ve transkripsiyon faktörleri ile etkileşme yoluyla (direk etki) veya kromatin yapısını değiştirerek (indirek etki) etkiler. 53

54 ÖkaryoGk Gen Kontrolüne ve RNA Polimerazlara Genel Bakış Mediator: Başka bir çeşit koakgvatör: mulgprotein koakgvator düzeneği (machine) 54

55 Enhancer (güçlendirici) dizilerinde MulGprotein Kompleksleri Oluşur İnterferon enhancer ı üzerinde oluşan enhancesome modeli 55

56 ÖkaryoGk Gen Ekspresyonunun Regülasyonu q Ak>vatör proteinler ve bir kısım represör proteinler prokaryotlarda olduğu gibi ökaryotlarda da önemlidir. q Ökaryotlarda, akgvatör proteinlerin (transkripsiyon faktörleri) bağlandığı DNA dizilerine, response (cevap) elementleri denir. q Response elementlerinin bir kısmı promoter (başlafcı) bölgede (upstream promoter elements-upe-) dir. q Response elementlerinin çoğunluğu, sıklıkla bir enhancer (güçlendirici) bölge yaratmak için, promotor dışında kümelenmiş durumdadır, bu gen ekpresyonunun çoksayıda sinyalle kontrolünü sağlar. 56

57 Transkripsiyon-Faktör Aktivitesinin Regülasyonu Hücre dışı (ekstraselüler) Sinyallerle : 1. Çok sayıda transkripsiyon faktörünün aktivitesi, ekstraselüler peptid ve proteinlerin hücre reseptörlerine bağlanmasıyla indirek olarak regüle edilir. Peptid ve proteinler plazma membranındaki reseptörlere bağlanarak hücreiçi sinyal-aktarımı yollarını harekete geçirirler. 2. lipid-soluble hormonlar: -çeşitli steroid hormonlar, retinoidler, ve tiroid hormonlar gibi- plazma ve nüklear membranlardan geçebilirler ve kontrol ettikleri transkripsiyon faktörleri ile direk olarak etkileşebilirler. Örn., nuclear-receptor superfamily 57

58 Regulation during processing and transport of mrna Capping, poliadenilasyon, ve kesim (splicing) sırasında oluşan Regülatör mekanizmalar amino asit dizisini veya mrna dan üretilen proteinin miktarını değiştirebilir. a. Alternatif splice bölgeleri farklı mrna lar üretmede kullanılabilir. b. Alternatif polyadenylation bölgeleri farklı mrna lar oluşturmada kullanılabilir. c. mrna lar nükleusta sentezlenmeleri sonrası ve sitoplazmadaki translasyonları öncesinde nükleazlar tarafından yıkıma uğratılabilir. d. RNA editing itranskripsiyon sonrasında mrna daki baz değişikliklerini içerir ( editing ) e. Small, interfering RNA (SiRNA) (mirna) 58

59 59 RNA editing Karaciğer ( liver), apoprotein B (Apo B) geni (Apo B-100) proteinini üretirken, Barsak (intestinal) hücrelerinde aynı gen, (Apo B-48) proteinini üretir.

60 Translasyonal Düzeyde Regülasyon Protein sentezi başlama (initiation) veya uzama (elongation) reaksiyonları sırasında kontrol edilebilir. can be regulated at the translational level, during the initiation or elongation reactions. Örneğin: mrna daki Iron-response elementleri (IREs) ferritin (demir depolayıcı protein) ve transferrin reseptor (transferrin demiri dolaşımda taşır, ve hücreye transferin reseptörüne bağlanarak girer) ilgili mrna ların translasyonlarını regüle ederler. Demir seviyesi (iron) yükseldiğinde, bu elementler ya mrna yı dayanıksız kılarlar (transferrin reseptör) veya mrna translasyonuna izin verirler (ferritin). 60

61 A. FerriGn sentezinin translasyonal regülasyonu B. Transferin reseptörü mrna sının degradasyonunun regülasyonu 61

62 GENETİK HASTALIKLARIN MOLEKÜLER TEMELİ 62