Yrd.Doç.Dr. Yosun MATER

Transkript

1 * Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

2 *Genom ve DNA replikasyonu *Bir birey tarafından taşınan genetik materyalin tamamı genom olarak adlandırılır. *Genomun gen içeren bölümü genik DNA olarak adlandırılır. * Gen nedir? diye bakarsak, bir polipeptit zinciri kodlayan veya bunun fonksiyonel bir RNA molekülüne dönüştüren bir DNA parçası olarak tanımlanır. *Genomda bu genetik bölgelere ek olarak nongenik DNA adı verilen bölgelerde yer alır. *Bu bölgeler gerçekte DNA üzerinde yer alan fonksiyonu henüz tespit edilmemiş gen dizilerini içeren bölgelerdir. *Bu kısımlar için ad hoc terimi de kullanılabilir. *DNA lar üzerinde miktarları farklıdır. *DNA üzerinde transkribe olan bölgelere transkriptom adı verilir. *Bu bölgelerden proteinleri kodlayan bölgelere ise proteom adı verilir.

3 *Tüm organizmalar, her hücre bölünmesinde kendi DNA sını çoğaltır. *DNA replikasyon hızı bakterilerde saniyede yaklaşık 500 nükleotid ve omurgalılarda saniyede yaklaşık 50 nükleotid uzama hızı ile meydana gelir. *DNA çoğaltması sırasında iki DNA ipliğinin her biri, yeni sarmalın oluşumu için bir şablon olarak hizmet vermektedir. *Bir bölünmede bir hücreden iki oluşum aşamasında, her bir hücrede bir "eski" ve bir "yeni" iplikçiği bulunduran bir çift sarmal yer alır. *Dolayısıyla yeni oluşan hücrelerde yer alan DNA sarmalının bir ipliği atasından miras olarak gelir. *Yani DNA yarı-korunumlu olarak (semiconservatively) çoğaltılır.

4 *DNA nın çoğaltılması, çoğaltma ilmeği veya kökeni denilen bir yapıdan başlar. *Çoğaltılma, aşamasında ana DNA sarmalının iki ipliği birbirinden ayrılır. *Çoğalma çatalı denen yapı ortaya çıkar. *Çoğalma her iki yönde de ilerler. *DNA replikasyonu kesintisiz olarak sadece 5'den 3' ne doğru gerçekleşir. *Çünkü kalıp iplikçik olarak bilinen bu yapı, sürekli bir şekilde sentezlenir (Şekil 1.3). *Diğer iplik ise ters yönde olduğu için kesintili olarak sentezlenir. *Bu Sentez aşamasında ortaya çıkan parçalara Okazaki parçaları adı verilir. *Okazaki fragmanları da denilen bu parçalar, bakteriler de 1,000-2,000 nükleotitler uzunluğunda olurken, omurgalılarda nükleotit boyutunda görülürler.

5

6 *Çoğu bakteri genomunda, bakterilerde tek bir replikasyon kökeni olduğu için ve genetik materyalin katlanmasına bağlı olarak en az 40 dakika çoğaltabilirsiniz. *Ökaryotik hücrelerde, pek çok replikasyon kökeni vardır. *Bunlar, DNA üzerinde genellikle birbirlerinden 30, ,000 bp'lik aralıklarla yer alırlar. *Dolayısıyla ökaryotik hücrelerde replikasyon birkaç saat sürebilir.

7 *GENLER ve GEN YAPISI *Geleneksel olarak, bir gen, bir polipeptit zincirini kodlayan veya fonksiyonel bir RNA molekülü oluşturan bir DNA parçası olarak tanımlanır dedik. *Bununla beraber yeni moleküler çalışmalar genlerin bizim kabul ettiğimiz kuralın dışında da DNA da çalışabileceğini bize göstermektedir. *Buna göre, özel bir işlev için gerekli olan bir genin, genomik DNA da ya da RNA da bir dizi içinde belirsiz olarak yer alması mümkündür. *Bu durumda işlevini gerçekleştirmek için proteine çevrilmesi ya da transkribe edilmesine gerek olmayabilir.

8 *GENLER ve GEN YAPISI (Devam) *Buna gore üç tip genin varlığı kabul edilmektedir: (1) Protein kodlayan genler, yani DNA daki dizi RNA'ya çevrilir ve daha sonra ribozomlarda amino asitler diliyle, proteinlere tercüme edilir. (2) RNA ya özgün genler, sadece RNA diline çevrilen genlerdir ve (3) kopyalanmayan genlerdir. *Diğer bir değişle protein kodlayan genler ve RNA ya özgü genler için ifade edilen ya da üretken genler diyebiliriz.

9 *Transkripsiyon, DNA şablonu üzerinde tamamlayıcı RNA molekülü sentezidir. *Üretken genlerin transkripsiyonu DNA bağımlı RNA polimeraz ile gerçekleştirilmektedir. *Eubakterilerde transkripsiyon RNA polimerazın sadece bir türü ile gerçekleştirilirken; * Arkeabakterilerde yapılan çalışmalarda DNA'ya bağımlı RNA polimerazın birkaç tipine rastlanmıştır. *Ancak bugüne kadar yapılan çalışmalarda arkeabakterilerin farklı türlerinin her birin de yalnızca bir tür RNA polimerazın kullanıldığı belirlenmiştir.

10 *Her bir ökaryotik türde RNA polimerazın üç tipi bulunur. *Nüklear genlerin, materyalin transkripsiyonun da hepsi görev alır. *Ribozomal RNA (rrna) genleri RNA polimeraz I tarafından kodlanır. *Protein kodlayan genler RNA polimeraz II tarafından kodlanır. *Küçük, sitoplazmik RNA genleri, örneğin transfer RNA (trna) larla ilgili genler RNA polimeraz III tarafından transkribe edilmektedir. *Bazı küçük nüklear RNA genleri (Ör: U2) polimeraz II tarafından, diğerleri (Ör: U6) gibi polimeraz III tarafından kopyalanırlar. *Bununla beraber bazı farklı örneklerde vardır. *Örneğin; snrna geni U3, hayvanlarda polimerazı II tarafından, bitkilerde polimeraz III ile transkribe edilmektedir.

11 *1.Protein Kodlayan Genler *Standart bir ökaryotik protein kodlayan gen kopyalanan ve kopyalanmayan bölümlerden oluşmaktadır. *Kopyalanmayan parçaların yerleri 5'- 3' yönünde göreceli olarak belirlenir. *5' ucuna yakın yerleşmiş olan bazı özel bölgeler kopyalamanın başlaması, hızı, zamanlaması ve transkripsiyon işleminin özgünlüğünü belirlemeye sağlayan çeşitli, özel sinyal dizileri içerir. *Bu düzenleyici sekanslar-diziler, transkripsiyon sürecinin geliştiren, düzenleyen promotör olarak da adlandırılırlar. *Bu yeri belli bölgeler promotor bölgesi olarak adlandırılır. *Söz konusu promotör bölgesinde yer alan özel sinyaller arasında TATA veya Goldberg-Hogness kutusu yer alır. *Bu bölgeler transkripsiyonun başlangıç bölgesinden bp uzakta bulunan bölgelerdir. *Bunlara ek olarak yine 5 akış yönünde CAAT kutusu, bir ya da daha fazla GC kutusu kopyası veya CAAT kutusu ile ilişkili GGGCGG dizisi içeren bölgeler bulunabilir (Şekil 1.4).

12

13 *CAAT ve GC kutuları RNA polimerazın çalışma yönünü belirlerken, TATA kutusu, transkripsiyonun başlangıç noktasının seçimi ve kontrolünde görev alır. *Bununla birlikte yukarıda sinyallerin hiçbiri tek başına promotorun görevini yerine getiremez. *Bazı genlerde, TATA kutusu yoktur ve bu nedenle onların başlangıç noktası (startpoint) olmadığı için benzersizdir. *Diğer bazı genlerde de hem CAAT kutusu, hem de GC kutusu bulunmayabilir. *Bu genlerin transkripsiyonları 5' ucunda yer alan diğer elemanlar tarafından kontrol edilir. *3 uç bölgeside transkripsiyon işleminin sonlandırılması için sinyallerini içerir. *Çünkü geninin transkripsiyonunda yukarıdan-aşağı doğru yer alan bölge önemli bir mesafe olabilir. *Burada görev alan, genin başlangıcını ve bitişini hassas bir şekilde belirleyebilen bu düzenleyici elemanların neler olduğunu tespit etmek, şu anki bilgilerimizle mümkün değildir.

14 *Kopyalama aşamasında yer alan öncül yapı, öncül-mesajcı RNA (pre-mrna) olarak adlandırılır. *Hücre içindeki herhangi bir zamanda üretilen farklı premrna ların boyları ve dolayısıyla moleküler ağırlıkları birbirinden önemli ölçüde farklı olduğundan, çekirdekte bir pre-mrna topluğu oluştururlar. *Bu yığın, heterojen nükleer RNA (HnRNA) olarak ifade edilmiştir. * Pre-mRNA transkripsiyonu, DNA sarmalının ters yönlü kolundan gerçekleşir. *Pre-mRNA ile sekans olarak özdeş olan kopyalanmayan tamamlayıcı ipliği, anlamlı iplik olarak adlandırılır.

15 *Ökaryotlarda protein-kodlayan genlerin transkripsiyonu, transkripsiyon başlatma bölgesinden başlar (RNA transkripsiyonu içeren kapak bölge) ve transkripsiyon uzama bölgesi ile sonlanır. *Burada bahsedilen bölge, olgun mesajcı RNA (mrna) molekülü içinde yer alan, benzerlikler içeren veya içermeyen bir polyadenil bölgesi (poly-a bölgesi) ile sonlanır. *Diğer bir deyişle, transkripsiyon sonlandırması, daha fazla poliadenilasyon bölgesi içeren dizi varlığı ile oluşabilir.

16 *Pre-mRNA, eksonlar ve intronlar içerir. Intronlar, ya da araya giren diziler, mrna da yer alan ve üretken diziler olarak kabul edilen ekzonların arasında yer alırlar. *Pre-mRNA nın ifade edilmesi için işlenmesi gerekir. *Bu kopyalama sırasında eklenmiş olan bu üretken olmayan sekansların uzaklaştırılmasını gerektirir. *Bunu işlemek için öncelikle; pre-mrna nın olgun mrna olabilmesi gerekir. *Bunun için 5 'ucuna bazı eklentileri olması gerekmektedir (Ör: 5 ucuna metile guanin eklenmesi gibi), *Sonra da örneğin, 3 ucunda yer alan poliadenilasyon bölgesinin eklenmesi (Ör: adenin birimi eklenmesi), mrna nın olgunlaşma işlemleri arasında yer alır. *Son iki işlem tüm ökaryotik protein-kodlayan genlerin meydana gelmez. *Bu iki işlem; etkili - yoğun bir transkripsiyonel aktivite ve transkripsiyon sonrası modifikasyonların mrna da oluşmasıyla gerçekleşir.

17 *Ekzonlar veya ekzon parçaları, protein kodlayan ekzonlar ya da kodlama bölgeleri olarak adlandırılır. *Bir genin ilk ve son kodlanan bölgeleri, sırasıyla, 5' den 3' yönünde bölgelerdir. *Her ikisi de 5 've 3 ' çevirilmiş ve çevirilmemiş bölgeler yer alır. *3 ipliğin çevirilmemiş bölümü, 5' ipliğin çevrilmemiş bölgesinden genel olarak çok daha uzundur. Yani 3 iplikte çok daha fazla çevirilmemiş bölge yer alır. *Örneğin, insanda pre-pro-ürokinaz geninde, 3 çevrilmemiş bölgesi uzunluğu (>850 bp) civarında iken, 5' ipliğin çevrilmemiş bölgesi (79 bp) civarındadır. *Yani aralarında yaklaşık 10 kat lık bir fark vardır. *Çevrilmemiş bölgeler içinde, düzenleyici bölgeler, mrna yı işlemede görev alan bölgeler ya da çeviri işlemini düzenleyen diziler bulunabilir. *Böyle bir dizi, AATAAA veya Proudfoot - Brownlee kutusudur.

18 *Bu bölge transkripsiyonu sonlandırma bölgesinin yaklaşık 20 bp üst kısmında yer alan ve bir poliadenilasyon sinyali olarak hizmet eden bir bölgedir. *Benzer olarak, bazı tercüme edilmemiş parçalar da hücrede, mrna molekülünün döngü hızının belirlenmesinde de görev alabilir. *Pre-mRNA üzerinden yer alan intron bölgeleri özel görevleri bakımından iki ana kategoride sınıflandırabilir. *İntronlar, nüklear genler içinde RNA polimeraz II tarafından kopyalanırlar. *Bunlardan ilki, kendi kendilerine yapışma yeteneği olmayanlar veya spliceosomal intronlar adını alır. *Bunlar bir enzimatik kompleks vasıtası ile pre-mrna'nın üzerinden ayrılmaktadır. *Bunları ayıran enzimal komplekse spliceosom adı verilir. *Diğer intron tipi ise kendi kendine yapışma yeteneği olan intronlardır. *Mitokondriyal ve kloroplast genomları içinde esas olarak bulunan intron tipidir. *Bu intronlar ekzojen gen ürünlerinin yardımı olmadan ayrılmaktadır.

19 *Spliceosomal intron ekleme bölgeleri-birleşme bölgeleri; *Verici ve alıcı bölgeleri olarak da bilinen her intronun uçlarında sırasıyla 5' ve 3' uçlar üzerindeki nükleotitlerde büyük ölçüde belirlenir. *Birkaç istisna dışında, tüm ökaryotik nüklear intronlar GT ile başlar ve AG ile sonlanır (Bu durum GT - AG kuralı olarak bilinir). *Bu dizilerin intronun doğru kesilmesi ve yapıştırılması için gerekli olduğu gösterilmiştir (Şekil 1.4 ). *Bu diziler aynı zamanda ekzonlara bitişik intronlarında doğru ayrılma yerlerinin belirlenmesine katkıda bulunabilir. *Buna ek olarak, her bir intron TACTAAC kutusu olarak adlandırılan belirli bir sekans içerir. *Bu dizi intronun 3' son ucunun yaklaşık 30 bp öncesinde bulunur. *Bu dizinin oldukça korunmuş nüklear bir dizi olduğu düşünülür. *Ökaryot hücrelerinde tek hücreli mayalardan, çok hücreli ökaryotlara kadar muhafaza edilmiştir. *TACTAAC kutusunun eklenmesinde, altıncı pozisyonda yer alan A (adenin) ile 5 ucunda yer alan G (guanin) arasındaki bir fosfodiester bağı üzerinden birleşme gerçekleşir. *Daha sonra, 3' ucundaki yapışkan bölge kırılır ve iki ekzon bağlanır.

20

21 *Intronların sayısı, geninden genine büyük ölçüde değişir. *Bazı genler onlarca introna sahipken, diğer bazı örneklerde (Ör: çoğu histon ve koku reseptör genleri) tamamen introndan bağımsızdır. *Yani intron içermezler. *Omurgalı genlerinde intron boyutları çok geniş bir dağılım gösterir. *Yine bazı örneklerde intronların uzunlukları yüzlerce kilobazı bulur. *Ekzonların boyutlarının dağılımı yaklaşık 150 bp civarındadır. *Ekzonlar gen dizisi boyunca düzgün bir biçimde dağılmamaktadır. *Bazı ekzonlar kümelenmiş, bir arada yer alırken, farklı örneklerde komşu ekzonlar arasında büyük mesafeler yer almaktadır (Şekil 1.5).

22

23 *Omurgalılarda protein - kodlayan genlerin büyük bir çoğunluğu, çok sayıda intronlardan oluşur. *Böyle bir uç örnek olarak insan distrofin geni verebiliriz. *2.3 Mb üzerinde yayılan bu gen 79 ekzon içermektedir. *Olgun mrna üzerinde yer alan sadece ekzonların büyüklüğü ise 12 Kb dır. *Yani yaklaşık genin 1:200, ya da % 0.5 kadar kalanı ise introndur. * Diğer ökaryotlarda da (Ör: Drosophila melanogaster, Arabidopsis thaliana, ve Caenorhabditis elegans) intronlar daha az ve daha küçüktür. *Tüm intron bölgelerinin görevi kodlamayı kesmek değildir. *Bazı örneklerde temel olarak transkripsiyon başlatma yeri ile translasyon başlama kodonu arasındaki bölgede yer alarak işaretleyici gibi görev yapabilir. *Eubakterilerde protein kodlayan genler çeşitli bakımlardan ökaryotlardan farklıdırlar. *En önemlisi intronlar içermezler (Şekil 1.6). *Yani protein ürünleri birbirleri ile yan yanadır.

24

25 *Bunlarda promotor bölge sırasıyla, transkripsiyon başlatma bölgesinin - 10 bp ve -35 bp bulunur. *-10 sırası Pribnow kutusu olarak uzun yıllardır bilinen, sekansı TATAAT veya benzeri bir varyanttan oluşan yapıdır. *-35 ise ikinci uzun yıllardan beri bilinen işaretleyici promotor yapıdır. *Sırası, TTGACA'nın veya varyantından oluşur. *Bir prokaryotik promotor daha da önceden başlayan,(-80 ve-50 ler gibi) -35 dizisinden başka spesifik dizileri içerebilir. *Prokaryotlar yapısal gen grubu polisistronik mrna molekülü transkripsiyonunu ve daha sonra farklı bir protein için transkripsiyonun bir genetik ifade oluşturması için, arka arkaya düzenlenmesi aktivitesini nadiren (ökaryotlarda daha da nadir) gösterir. *Böyle bir aktivitenin olması için, genellikle birime ait genlerin koordineli ifadesini kontrol eden genetik öğelere ihtiyaç vardır. *Genlerin bu düzenlemesi bir operon olarak adlandırılır.

26 *2.RNA ya Özel Genler *Bunlar protein kodlamayan sadece RNA ları üreten genlerdir. *Ökaryotlarda, bu genlerin, RNA molekülünün fonksiyonel halde bağlandığı intron bölgeleri içinde yer aldığı görülmüştür. *Örneğin, birçok nuklear trna ya özel genlerin, çok kısa intronlar içerisinde yer aldığı belirlenmiştir. *RNA-belirleyici genlerin transkripsiyonunun düzenlenmesinde de dizi içinde yer alan bazı küçük dizinlerin rol oynadığı düşünülmektedir. *Özellikle, bütün ökaryotik trna-belirleyici genlerin, transkripsiyonunda tanıyıcı molekülün RNA polimerazı III olduğu görülmüştür. *Bazı düzenleyici yapılar da (Ör: küçük nukleolar RNA = snorna) rrna - belirleyici genlerin intronlarında içinde bulunmaktadır.

27 *RNA nın Post-Translasyonel Modifikasyonları * DNA üzerinde yer alan genler; protein-kodlayan genler ya da RNA-belirleyici genler olsun oluşan bir çok RNA molekülü transkripsiyondan sonra modifiye edilir. *Yani değişim geçirir. *Bu modifikasyonlar bir dizi standart nükleotidlerin eklenmesi veya silinmesini içerebilir ya da bir nükleotidin yerine bir başkasını geçmesini içeren standart değişiklikler (Ör: C (Sitozin) U (Urasil)) şeklinde olabilir. *Standart olmayan modifikasyonlarda ise zincirin 5 veya 3 ucunda yer alan ribonükleotitlerin dizilerine enzimler vasıtasıyla yapılan eklemelerdir.

28 *RNA nın Post-Translasyonel Modifikasyonları * Sonuçta, bu düzenleme transkribe edilmiş olan DNA tamamlayıcı dizisinde olmayan bir RNA molekülü üretim prosesi ile düzenlenmektedir. *Bu işlem genel olarak RNA düzenlemesi olarak bilinir. *Elde edilen RNA da (Şekil 1.7) transkribe edilmiş olan DNA dizisinin yeniden düzenlenmiş halini içerir. *Böylece bu durumlarda kalıp DNA, aslında RNA için şifrelenmiş DNA dır. *Diğer bir değişle, şablon gen, kriptogene (kelimenin tam anlamıyla, gizli bir gen) olarak adlandırılır.

29

30 *3.Kopyası Çıkarılmayan Genler *Kopyalanmayan genler hakkında bilgimiz diğer gen türlerine gore çok daha azdır. *Kopyalanmayan genlerin ya da gen ailelerinin çeşitli tipleri olduğu düşünülmektedir. *Buna göre sıralamaya çalışırsak ilki replikator genlerdir. *DNA replikasyonun başlatılması ve sonlandırılması için bölgeleri belirleyen dizilerdir. *Bu terim ökaryotik genomlarında DNA replikasyonu birimlerinden kökenlendiğinin görülmesi ile verilmiştir. *Belirli dizileri için geçerli olabilir. *Bu diziler, özel bir başlatıcı ya da represör molekül için bağlanma yeri olarak hizmet edebilirler ya da DNA replikasyonu ile ilgili enzimleri için olan tanıma bölgeleri olabilirler.

31 *3.Kopyası Çıkarılmayan Genler (Devam) *Bir diğeri rekombinator genlerdir. *Bunlar mayoz bölünmede, yeniden düzenlemede görev alan enzimler için özel tanıma bölgelerini oluştururlar. *Telomerik diziler bunlar çoğu ökaryotik kromozomun uçunda yer alan kısa ve kendini defalaca tekrar eden dizilerdir. *Segregator genler mayoz ve mitoz bölünmede kromozomların ayrı tutulması ve iğ ipliklerine bağlanarak hareketini sağlayan dizilerdir. *Bu kategori içinde bir telomer benzeri kısa, tekrarlar içeren sentromerik dizilerde bulunabilir.

32 *Ekleme bölgeleri, bunlar DNA dizileri içinde belirli bölgelerde yer alırlar ve yüksek özgünlükte tanınmayı sağlarlar. *Yani DNA ipliğine gerektiğinde yapısal proteinlerin, enzimlerin, hormonların, metabolitlerin ve diğer molekülleri bağlanmasını sağlayan sekanslarıdır. *Bu kategori içinde, bir çekirdek matriksi, iskelet proteinleri veya protein-kodlayan diziler de girebilir. *Yeniden yapılandırma bölgeleri sarılmaya veya kırılmaya yatkın kromozom bölgelerinde yapısal özellikleri, belirlenmesinden sorumlu dizilerdir. *Çok fazla kopyalanmayan genlerin diğer bir fonksiyonlarıda; konumuna ve yapısal özelliklerine bağlı olarak bağımsız hareket edebilir olmalarıdır. *Bu tür dizilerin çok hücreli organizmalar da ontogenetik gelişimde karmaşık düzenleyici fonksiyonlarada sahip olabilecekleri düşünülmektedir. *Bazı bölgeler için bu durum kuvvetle muhtemeldir.

33 *Pseudogenler (Yalancı Genler) *Yalancı genler DNA üzerinde yer alan fonksiyonel genlerin yapısında görülen mutasyonlar, çerçeve kayması ve anlamsız, ifade edilmeyen dizileri içerir. *Bu genler, fonksiyonel gen dizilerine benzerlik sergilese de çalışmaz. * Ör; ψ(psi)β-globin geni bilgisayarlı veri bankalarında tespit edildiğinde işaretlenebilir. *α-karbonikanhidraz metabolizmasında bu işaretlenmiş bozuk ürün yerine CA5P (α-carbonic anhydrase pseudogene 5) kullanılır. *Çok az sayıda pseudogen belirlenebilmiştir.

34 *Pseudogenler (devam) *Tam olarak ne görev yaptıkları ve neden hatalı olmalarına rağmen çevrildikleri bilinmemektedir. *Elde edilen dizilerde görevleri ve işlevleri hakkında bilgi vermemektedir. *Bununla beraber bazı organizmalar da diğerlerinden daha çok olması dikkat çekicidir. *Bu veri ilginç olmakla beraber yine de tüm organizmalarda yer alır. *Pseudogenlerin iki ana türü vardır. *İşlenmiş ve işlenmemiş pseudogenler. *Bu veriden yola çıkarak, bu iki farklı tip molekülün farklı evrim süreçleri tarafından oluşturulduğu düşünülmektedir.

35 *KULLANILAN KAYNAKLAR * 1 Fundamentals of Molecular Evolution (2000) Dan Graur and Wen-Hsiung Li Sinauer Associates, Inc.,Publishers. Sunderland, MA, USA.