MOLEKÜLER BİYOLOJİ ve GENETİĞİN UYGULAMALARI

Transkript

1 MOLEKÜLER BİYOLOJİ ve GENETİĞİN UYGULAMALARI 4. Ders Gen anlatımının düzenlenmesi ve Epigenetik Doç. Dr. Aslıhan TEMEL İ.Ü. Fen Fak. Moleküler Biyoloji ve Genetik 1

2 Genotip + genetik etkileşimler + çevre + varyasyon FENOTİP 2

3 Kalıtım birimi GEN Kromozomların üzerinde DNA nın segmentleri Bu birimin anlatımı, RNA veya polipeptid, gen anlatımı «gene expression» DNA dizisi, genom Genlerin tümü, genotip 3

4 Erişkin bir insan 200 den fazla hücre tipi Kromozom sayısı ve DNA dizisi aynı, mitoz Genetik bilginin okunması ile fenotip oluşur DNA dan mrna ve polipeptid veya RNA Bireylerarası ve hücrelerarası Genlerin belirli zaman ve belirli yerde (hücre) Genler açılır «turn on» veya kapanır «turn off» Yeryüzünde en bol bulunan protein ribulose 1,5- bisphosphate carboxylase/oxygenase (rubisco) 4

5 5

6 The fundamental problem of chemical physiology and of embryology is to understand why tissue cells do not all express, all the time, all the potentialities inherent in their genome. 6

7 Housekeeping, tüm dokularda, aynı düzeyde, temel hücresel işlevler (nukleotid sentezi vb.) glucose-6-phosphate isomerase Gereksinim anında genin anlatımı yapılır Enerji kaybını azaltma, çeşitlilik Gen anlatımının kontrolü/düzenlenmesi, kontrol elementler cis «DNA dizileri», promotör, enhancer, silencer; birden fazla gen için ortak, gene uzak olabilir trans «protein», TF, steroid reseptör, dokuya özgü, 7

8 Bakterilerde çok hızlı ve kontrollü Bir metabolik süreçte iş gören genler arka arkaya ve tek bir promotör, operon Negative regulation Repressör protein, operatör bölgeye bağlanır ve gen anlatımını engeller Positive regulation Aktivatör protein, operatöre bağlanır ve gen anlatımını başlatır, ökaryotlarda yaygın Signal molecule, represör/aktivatöre bağlanır 8

9 Inducible operon; katabolik, lac Glikoz yerine lactoz Represör protein gen anlatımını engeller Laktoz, represöre bağlanır, gen anlatımı başlar lactose permease (Z), β-galactosidase (Y), thiogalactoside transacetylase (A) I, represör Alberts et al. (2002) Molecular Biology of the Cell 9

10 Repressible operon; anabolik, trp 5 farklı enzim kodlayan 5 gen trpr geni represör kodlar, inaktif Triptofan miktarı arttığı zaman represöre bağlanır Trp operonu sessizleşir Alberts et al. (2002) Molecular Biology of the Cell 10

11 gluconeogenesis, glycolysis PEPCK anlatımı, insulin, tarafından baskılanır, glukagon tarafından arttırılır 11

12 Nelson ve Cox (2017) Lehninger Principles of Biochemistry 12

13 Nelson ve Cox (2017) Lehninger Principles of Biochemistry 13

14 1. Primer RNA sentezi «transkripsiyon» 2. RNA nın transkripsiyon sonrası modifikasyonu 3. mrna yıkımı Messenger RNA degradation 4. Protein sentezi «translation» 5. Proteinlerin translasyon sonrası modifikasyonu 6. Protein dolaşımı «transport» 7. Protein yıkımı 14

15 DNA bağımlı RNA polimeraz I-III, promotör, iki iplikli, Transkripsiyon faktörü RNA polimeraz fosforillenir, ~ açılma, Promotörün ~ 25 bç downstream, kalıp zincir, rntp, şapka (7-methylguanylate) ve 3 polia kuyruğu eklenir, intronlar çıkarılır ve eksonlar bağlanır «splicing» (fibronectin, fibroblast ve hepatosit) Lodish et al. (2000) Molecular Cell Biology Nelson ve Cox (2017) Lehninger Principles of Biochemistry 15

16 Lodish et al. (2000) Molecular Cell Biology Nelson ve Cox (2017) Lehninger Principles of Biochemistry Ribozom/polizom, genetik kod, a.a, polipeptid Küçük altbirim, initiation factor (IF3), metionin-trna, kompleks mrnadaki AUG, initiation factor (IF4), met-trna anticodon-codon, büyük altbirim Ribozom mrna üzerinde hareket eder, peptid bağı 3D protein yapı, işlev Amino asitlere, fosfat, carboksi, asetil gibi Karbohidrat, izoprenil Sistein aa. arasında disülfit bağı Boyutu küçülebilir; proinsulin-insulin ER, mitokondri, kloroplast, nukleus, kistik fibroz, retinitis pigmentosa 30 saniye-birkaç gün, a.a ayrılırlar, Alzheimer, Parkinson, kanser 16

17 RNA ve protein modifikasyonları DNA/kromatin modifikasyonları DNA dizisindeki değişim, mutasyon, genetik varyasyon DNA/kromatin yapısında gerçekleşen ve gen anlatımını etkileyen değişimlere epigenetik modifikasyon denir Bir hücrenin içerdiği kromatin özelliklerine epigenom Genin anlatımını belirler 17

18 Above genetics Mitoz sırasında kromozom İnterfaz sırasında kromatin Nukleusa dağılmış DNA, histon proteinleri ile paketlenmiş Açık, gevşek «loose», euchromatin Kapalı, kompakt, heterochromatin Kromatinin temel birimi nukleozom Histon olmayan proteinler, kromozom yapısı, katlanma ve gen anlatımının düzenlenmesi Arjinin ve lizin, bazik H3 ve H4 en korunmuş 18

19 Nelson ve Cox (2017) Lehninger Principles of Biochemistry 19

20 Nukleozom; 2 adet H2A, H2B, H3, H4 oktamerin üzerine sarılmış DNA ~146 bp DNA İplik üzerindeki boncuk «beads-on-a-string» 2 nukleozom arasında «linker DNA», uzunluğu değişken Her nukleozomda bir adet H1 Nukleozom yoğunluğu yüksek, gen anlatımı düşük Replikasyon ve transkripsiyon başlangıç noktaları, nukleozom düşük 20

21 Nature Education Adapted from Pierce, Benjamin. Genetics: A Conceptual Approach, 2nd ed.

22 H1, 2 adet nukleozomu biraraya getirir, 30 nm solenoid fiber, 30 nm H3 ve H4 N-terminal, asetil, fosfat Non-histone protein, heterochromatin protein 1 (HP1), high-mobility group (HMG), 300 nm, interfaz Condensin, 700 nm kromatid, metafaz Anlatım yapan genler, halka «loop» 22

23 En çok araştırılan epigenetik değişim, sitozin metilasyonu (5mC) Sitozin 5. karbon, metiltransferaz, DNMT S-adenosyl methionine (AdoMet) Erken embriyogenik evre DNA replikasyonundan sonra, yeni zincirde tekrar CG, CHG, CHH, H is A, T, or C (5mC) Armstrong (2013) Epigenetics 23

24 Passarge (2012) Color Atlas of Genetics spontaneous.html 24

25 5mC, bazı TF tarafından tanınmaz Bazı represör proteinler (methyl-cpg-binding domain proteins, MECP2), 5mC ye bağlanır 5mC zengin DNA kapalı, kompakt kromatin Kapalı kromatin yapısına dolaylı (histon deasetilasyonu) Armstrong (2013) Epigenetics 25

26 Histon N-terminal modifikasyon asetilasyon, metilasyon, fosforilasyon ve ubikitinasyon DNA metilasyonunu, histon yapısı yönlendirir Erken embriyogenik dönemde RNA pol II, H3K4 metiltransferaz çeker H3K4me, DNA metilasyonunu engeller Geri dönüşebilir Histon asetiltransferaz, metiltransferaz 26

27 Histon asetilasyonu, lizin a.a. pozitif yük, açık kromatin, gen anlatımı Histon deasetilasyonu H3K9ac, histon 3, 9. lizine asetil grubu eklenmesi Histon metilasyonu, lizin ve arjinin 1-3 adet metil grubu, histon metiltransferaz, SAM Bulunduğu bölgeye göre farklı protein H3K9me sessiz, H3K4me aktif Kanser 27

28 Tollefsbol (2012) Epigenetics in Human Disease 28

29 Chromatin remodeling Histone ve DNA arasındaki etkileşim SNF2, DDM1, ATRX Nukleozom kaydırma Özel histon (H3.3, H2A.Z) eklenmesi 29

30 Rheumatoid arthiritis Systemic lupus erythematosus Kanser, obezite, diyabet Egger et al. (2004) 30

31 31

32 Hangi genler? Hangi mekanizma? Sonuçları neler? Kalıtılır mı? Nasıl? Nasıl tedavi? 32

33 33