Gen Düzenlenmesi için Nükleer Organizasyon. İstanbul Üniversitesi Moleküler Biyoloj ve Genetik Doktora Programı Epigenetik Ders Sunumu Derya Özciğer

Transkript

1 Gen Düzenlenmesi için Nükleer Organizasyon İstanbul Üniversitesi Moleküler Biyoloj ve Genetik Doktora Programı Epigenetik Ders Sunumu Derya Özciğer

2 Her bir genin nasıl açılıp kapandığı hakkında fikrimiz var ancak tüm genom nasıl koordine olur!!! Çekirdek, genetik bilgiyi taşımanın yanı sıra, hücreye özgü olan eş zamanlı ve çoklu genomik işlevlerin nukleusta organizesi ve koordinasyonu gibi düzenleyici görev de yapar.

3 Hücreye ait kalıtsal bilgiyi DNA yı bulundurur. Replikasyon bölgesidir DNA dan mrna ya hazırlık süreci gerçekleşir Ribozom oluşumu (Nukleolus: RNA ve protein ribozom sentezi için gerekli) Büyüme, metabolizma, protein sentezi ve hücre bölünmesi gibi hücre işlevlerini koordine eder

4 Genlerin Nükleusiçindeki Dağılımının Önemi Genlerin nukleus içinde spatial dağılımı, transkripsiyon kontrolüne katkıda bulunur Gen pozisyonlanması transkripsiyon düzenlenmesinin hem neden hem de sonucu olabilir Bazı durumlarda, pozisyonlanması anlatımın maximum pozisyonlarda olmasını sağlar Nukleer perifer, genelde anlatımı repres edilmiş genlerin bulunduğu bölge olarak bilinir Diğer durumlarda kalıtsal represyon durumunu korur Ya da doku spesifik gen anlatımının korelasyonunu sağlar

5 Çekirdek Birimleri I. Kromozom/ kromatin yapılar II. Çekirdek zarı(nuclear Envelope) III. Çekirdek Cisimcikleri o Kajal cisimcikleri o Çekirdekcik o Çekirdek benekleri o PML cisimcikleri o Polycomb cisimcikleri o Transkripsiyon Fabrikaları

6 Eş zamanlı ve çoklu genomik işlevlerin nukleosuta organizasyon ve koordinasyonu

7 Chromosome Territories Splicing Factors Replication Sites Transcript Tracks Transcription Sites Nukleer Matriksteki fonksiyonel yapılar

8 Kromozom/ kromatin yapılar

9 Nükleustaki Genomik Organizasyon Chromosome territories

10 Kromozom Bölgeleri (CT, chromosome Territories) Transkripsiyon, DNA tamir, DNA replikasyonu gibi önemli işlevleri olan interfaz kromozomlarının, spagetti modelinde olduğu gibi rastgele dağılımı değil, belirli bölgelerde toplandığı görülmüş

11 İnterfaz Nukelusunda Kromozom bölgeleri Kromozom 1 (Kırmızı), Kromozom 9 (Yeşil)

12 Kromozom Bölgeleri (CT, chromosome Territories) ICD(Inter Chromosome Domain Compartment)model Kromozom bölgeleri 3D yapısında transkripsiyon faktörleri ve diğer düzenleyici komplekslerin difüzyonla geçişine imkan veren bariyer ve bu bölgeler arası kanallar oluşturur

13 Kromozom Bölgeleri (CT, chromosome Territories) Bazı durumlarda transkribe olacak gen lokusu CT dış yüzeyinde serbest faktörler ve diğer kromatinlerle etkileşime girmek üzere ilmekler oluşturur Buna göre, gen lokuslarının CT lerde içe ya da dışa doğru konumlanmaları regülasyonda önemlidir.

14 Kromozom Bölgeleri (CT, chromosome Territories) Farklı bantlanma gösteren farklı kromozamal bölgeler, transkripsiyonel aktiflikte farklılıklar gösterir Bu durum gen bölgelerinin farklı pozisyonlanmaları ile ilişkilidir Transkripsiyonel olarak aktif genler kromozom bölgelerinin dışına, inaktifler ise iç bölüme doğru yönelim gösterirler Bu durum, kromzomlar ın nukleusta zig-zag konumlandıklarını gösterir.

15 Genlerin Nükleusta Yönelimi Genlerin nükleer organizasyonu hücre durumu (döngüde, farklılaşmada vs.) ve hücre tipine göre çeşitlilik gösterir Ayrıca tek hücre tipinde bile gözlenen farklılaşma basamağı ve hücre döngü durumu gen aktivitesini değiştirdiği gibi belirgin olarak nükleer konumlanmada da farklılıklar yaratır. Genelde gence zengin, daha aktif R-bant domenleri nükleus merkezine doğru konumlanırken, AT ce zengin ve gence fakir olan (genllikle G/C) bant bölgeleri daha perifere doğru yer alırlar.

16 Genlerin Nükleer Konumları ve Regülasyonları Ancak çalışmalar göstermiştir ki; Transkripsiyon regülasyonu ve gen konumlanmları için genel geçer bir kural belirtilememektedir. Her bir lokus kendilerini ilgilendiren çeşitli işlemlerden etkilenir (konumlarına bağımlı ya da bağımsız) Nükleer organizasyonun, gen regülasyonundan çok transkripsiyon etkinliği ve takip eden süreçlere katkıda bulunduğu düşünülmektedir Basit açma-kapama mekanizmasından çok hasas transkripsiyon miktar ayarlamaları ve koordinasyonda önemlidir (ör: mrna transkripsiyonunu takiben Nükleer por exportu)

17 Regülasyonda Transkripsiyon Faktörlerinin Konumlanmaya Üstünlüğü Regülasyonda temel görevin aktivatör ve diğer trans-acting faktörlerin aldığı gösterilmiştir Transkripsiyon faktörleri, aktivasyon etkisinin yanısıra, kromatin yeniden modelleme ve histon modifikasyon kompleksleri yle direk etkileşimleri ile temel görev alır Bu faktörlerle etkileşimler, nükleer porlar ve transkripsiyon fabrikaları gibi birimlere yönelimi sağlar

18 Regülasyonda Transkripsiyon Faktörlerinin Konumlanmaya Üstünlüğü Bu şekilde bu faktörler, kromatin nukleer organizasyonunu ve işlevsel etkileşimlerini etkileyebilirler Ayrıca transkripsiyon indüklü aktivasyonda gen lokuslarının aktin ve miyozinlerce nukleusta çok uzak noktalara taşınabilmesi durumu daha da komplekslerştirmektedir

19 Çekirdek Zarı (NuclearEnvelope)

20 Çekirdek Zarı Dış nukleer membran İç nukleer membran Membran proteinleri Nukleer Por komleksleri Nukleer Laminler

21 Çekirdek Zarının Yoğunlaşması ve Dağılması Nuclear envelope (NE) Hücre döngüsüne bağlı bir yapıya sahiptir, mitoz başında (geç profaz) gevşer, geç telofazda tekrar oluşur Çalışmalar göstermiştir ki telofazda tekrar oluşumunda yeni proteinler üretilerek yapısına katılmaz Yaklaşık 10,000 nukleer por içerir Hücrelerin belli bir düzende bölünmesi için önemli rollleri vardır

22 NE dekilaminleringen Regülasyonundaki Önemi Çekirdek zarının iç yüzeyi nükleer iç filamentler lamin lerle çevrilidir.

23 NE dekilaminleringen Regülasyonundaki Önemi Nükleer lamina kompozisyonu ve fosforilizasyonu; Nukleustaki spesifik kromozomların pozisyonlanmasını değiştirerek Nükleoplazmadaki transkripsiyon faktörlerinin seviyesini etkileyerek gen anlatımına etki eder

24 LaminFosforilizasyonu Nukleer Laminayı oluşturan proteinler (A,B,C laminleri) hücre döngüsünde fosforilasyon/defosforilasyon ile dağılıp/yoğunlaşırlar Maya genetik çalışmalarında cdc2 yi hücre bölünmesinde önemli bir gen olarak tespit edilmiş. Bu bir cyclin bağımlı protein kinazdır (cdk1=cyclin B- cdc2 kinaz)!!!cyclin ler protein kinazların enzimatik aktivitelerini yönlendiren düzenleyici proteinlerdir. cdc2 (cdk1) tarafından Lamin fosforilizasyonu/defosforilizasyonu Geraceet al., 1984, Figure 7

25 NE dekilaminleringen Regülasyonundaki Önemi NE ile heterokromatin yapısındaki proteinlerin integrasyonu gen susturmasında rol oynar D. Melanogasterde heterokromatin protein HP1 ve lamin B reseptörü arasındaki etkileşim gösterilmiştir. Heterokromatinin NE ye bağlanmasının yanısıra laminlerin spesifik genlerin pozisyonlanması ve baskılanması ile ilişkili olduğu görülmüş

26 NE dekilaminleringen Regülasyonundaki Önemi Laminlerin heterokromatin yapısına etkisi ve gen susturulması ile ilişkisine örnek bir araştırmaya göre; I. Lamin A da oluşturulan mutasyon/delesyon II. Heterokromatik bölgelerde H3 Lys9 metilasyonunun azalmasına III. Lamin A bağlı HP1 in delokalize olmasına neden olmuştur

27 NE deki Laminlerin Gen Regülasyonundaki Önemi Baskılanmış genlerin nukleer periferinde bulunmasına karşın tamamıyla bu şekilde bir represyon gerçekleşmediği gösterilmiş Tomurcuklanan mayada, sessizleştiriciler olmadan NE ce susturulmadığı görülmüş. Maya reporter geninde gösterilmiş ki hem protosilencer ların hem de perinukleer bağlanmanın tam bir represyon için gerekli olduğu gösterilmiş. Sonuç: NE proksimal bir geni susturmada yeterli değildir.

28 NE dekiporkomlekslerinin Gen Regülasyonundaki Önemi Nukleer periferde bazı bölgeler gen aktive edici karakterde nukleer porlar içerir Bu da bazı genlerin periferde represyonun tersine aktive oluşumu açıklar. Ör: Mayada, galaktoz/inositol açlığında bazı genlerin perifer konumda aktivasyonu Nükleer Por Proteinleri bazı aktivatörlerle birlikte belirli histonların demetilasyonuna neden olarak temastaki genleri aktifleştirirler (anomalileri lösemi gibi hastalıklara neden olabilir)

29 NE dekiporkomlekslerinin Gen Regülasyonundaki Önemi SAGA gibi bazı histon asetil transferazlar gen promotör bölgesine bağlanarak ekspresyonu uyarır ve aynı zamanda SAGA nükleer porlardaki nükleer sepet ilişkili bazı proteinlerle etkileşir. Çoğu maya geni SAGA aktivasyonuna bağımlı olup aktivasyon için porlara lokalize olurlar geçici olarak kontak kurarlar

30 NE dekiporkomlekslerinin Gen Regülasyonundaki Önemi

31 NE ninmirnadüzenlenmesi ile ekspresyon kontrolü mirna lar mrna yı inhibe ederek ya da parçalayarak gen anlatımını etkilerler mirna seviyesindeki düzensizlikler mekanizması bilinmeyen bir şekilde bir çok kanser tipi ileilişkili (ör: mirna 31 kolorektal, hepatoselüler, pankrestik karsinomalar) Yapılan çalışmalarda NE de bulunan laminalardaki anomalilerin mirna ların seviyesini, dolaylı olarak gen anlatımını ve hücre döngüsünün düzenlediği görülmüş Ör: mirna31 inhibisyonu Cdkn2A(tümör baskılayıcıgen) p16, p19 gen ürünleri hücre proliferasyonunda azalma G0/G1 fazında hücrelerin artışı

32 Çekirdek Cisimcikleri

33 Nükleercisimcikler Bitki ve hayvan hücre nükleuslarında, yapılan elektron mikroskobu incelemeleri ve floresan işaretli antikorlarla muamelesi sonucu, kromozom bölgesinin dışında kalan, belirgin olarak ayrılmış ancak zarla çevrilmemiş, bağımsız, kabaca küresel yoğun bölgelere rastlanmış. Bu bölgelere nükleus cisimcikleri (nuclear bodies) denilmektedir. Özelleşmiş bu nükleus bölgeleri, spesifik proteinler ve RNA ları yoğun olarak bulundururlar. Bir çok gen bölgesi bu nükleer yapılarla etkileşir

34 Nukleolus En belirgin nükleus cisimciği Ribozom alt birimlerinin sentezi ve biraraya getirilmesi gerçekleşir Nükleolar organizasyon bölgesi (RNA genleri etrafında konumlanır) Protein salgılanması ve ER zarına girişte görev almak üzere, henüz olgunlaşmamış SRP (signal recognition particle ribonucleoprotein complex) sitoplazmaya geçmeden önce birleştikleri yerdir.

35 Kajalcisimcikleri Büyük nükleuslarda gözlenen küresel büyük yapılar (0,2-1µm) İşlevleri: *spliceosomal snrnp ler (small nuclear ribonucleic particals) ve diğer RNP ler için RNP-komplekslerinin birleşim merkezleridir *snrna modifikasyonları kajal cisimciklerinde gerçekleşir ve scarna lar(small cajal body-associated RNAs) rehberliğinde gerçekleştirilir (nükleolustaki snorna lara benzer işlev).

36 Kajalcisimcikleri *Her bir intron uzaklaştırılmasında serbest kalan U4,U5,U6 snrnp lerin, premrna kırpılması için gerekli U4/U5/U6 üçlü snrnp komlekslerinin yeniden biraraya getirildiği yerdir. *Ayrıca histon mrna larının 3 uç işlenmesinde (bu mrna lar poly AAA dizisi içermez, yerine ilmek oluşturan özel bir 3 uca sahiptirler) görev alan U7snRNP lerin kajal cisimciklerinde bol bulunması burada biraraya geldiklerine işarettir. *Telomeraz RNP kurulumu burada gerçekleşir.

37 Nükleer Benekler *Nükleoplazma boyunca dağılan yaklaşık adet, 0,5-2µm çapında düzensiz, şekilsiz yapılardır. İşlevleri: *İhtiyaç halinde salınmak üzere, pre-mrna kırpılmasında görev alan snrnp ler ve proteinlerin burada depo edildikleri düşünülmektedir.

38 PML (PromiyelositikLösemi) Nükleer Cisimcikleri: İşlevleri çeşitlilik gösterse de en belirgin işlevlerinin; DNA tamir ve apoptoz indükleme mekanizmalarıyla ilişkili protein komplekslerinin birleştirilmeleri ve modifikasyonlarının burada gerçekleştiği düşünülmektedir. Ör.:Tümör baskılayıcı p53 proteinin translasyon sonrası modifikasyonlarının (fosforilasyon, asetilasyon) burada gerçekleştiği görülmektedir. Bu protein DNA hasarına cevap olarak PLM cisimciklerinde modifiye edildikten sonra DNA hasar cevap genlerinin anlatımlarını aktive eder.

39 PML (PromiyelositikLösemi) PML cisimcikleri ayrıca, proteinlerin post-trasnlasyonal modifikasyonlarında, ubikütin benzeri küçük bir protein olan SMO1 in (small ubiquitin-like moiety-1) eklendiği yerlerdir. SMO1, modifiye olmuş proteinlerin aktivitesini ve hücre içi konumlanmalarını kontrol eder. PML cisimciklerinin transkripsiyon baskılama mekanizmasındaki önemi: *Bir çok transkripsiyon represör proteinleri smollenmiştir. Smollenme bölgelerindeki mutasyonlar bunların baskılama aktivitesini etkiler!!!

40 PolycombCisimcikleri Nukleus periferi ya da iç bölgesi ayırımı yapmadan yer alan dinamik susturucu domenlerdir En korunmuş PcG hedefleri gelişim yolağında görev alan transkripsiyon faktörlerinin genleridir PcG ler aşırı gelişim ve proliferasyonu önler, ancak hedef genlerin gerekli gelişim durumlarında aktivasyona olanak verecek şekilde esnektirler

41 PolycombCisimcikleri Histonlar gibi bir çok kromatin ilişkili proteinler ile etkileşirler PcG responsive element içeren genlere bağlanırlar Hızlı bağlanma ve ayrılma gösterirler, kısa ömürlüdürler Az sayıda PcG ye birlikte bağlanma gerçekleşir

42 Transkripsiyon Fabrikaları Memelilerde transkripsiyonu yapılan genler her zaman transkripsiyon fabrikaları ile ilişkili bulunmuştur Gen bölgeleri mevcut fabrikalara doğru yönelim gösterirler Ör: IGH in bulunduğu fabrikaya MYC in yönelimi ile gösterilmiştir. Ayrıca aynı fabrikaya yönelim, translokasyon!!!! Transkripsiyon miktarı ayarlanmasında polycomb cisimciklerinin bu fabrikalarda görev aldığı düşünülür PcG ler gibi bu fabrikaların da sayıları sınırlıdır, ortak kullanım sözkonusu

43 Transkripsiyon Fabrikaları

44 Teşekkürler