8 - ÖKARYOTLARDA GEN İFADESİNİN DÜZENLENMESİ

Transkript

1 8 - ÖKARYOTLARDA GEN İFADESİNİN DÜZENLENMESİ

2 Başlıklar 1. Ökaryot gen düzenlenmesi farklı basamaklarda olabilir 2. Kromatin modifikasyonları 3. Transkripsiyonun düzenlenmesi 4. Transkripsiyon sonrası düzenlenme 5. RNA sessizleştirmesi 6. mrna kararlılığı

3 Giriş Çok hücreli ökaryotlarda gen ifadesinin farklı şekillerde düzenlenmesi, embriyonik gelişim için son derece önemlidir. Örn; pankreas hücreleri retina pigmenti yapamazken, retina hücreleri de insülin üretemez. O halde organizma, farklı hücre tiplerinde farklı gen takımlarını nasıl çalıştırmaktadır? 3

4 Giriş Bu olayın temelinde, genomun özgül kısımlarını etkin hale getiren ve diğer genleri baskılayan mekanizmalar vardır. Gen ifadesinin düzenlenmesi şu şekillerde gerçekleşir: Pozitif (transkripsiyonun aktifleştirilmesi) Negatif (transkripsiyonun baskılanması) Bir genin kendisi yapısal olarak normal olsa bile, yanlış hücre tipinde, yanlış zamanda ve anormal miktarda ifade edilmesi, sağlıksız bir fenotipe neden olabilir. 4

5 1. Ökaryot gen düzenlenmesi farklı basamaklarda gerçekleşir Ökaryotlardaki düzenlenme prokaryotlara göre daha karmaşıktır: 1. Ökaryotik hücreler daha fazla miktarda genetik bilgi taşır ve histonlarla ve diğer bazı proteinlerle kompleks oluşturmuştur. DNA-protein kompleksi, gen düzenlenmesi için önemli bir açma-kapama düğmesidir. 2. Ökaryotlarda transkripsiyon ve translasyon, yer ve zaman açısından birbirinden ayrılmıştır. 5

6 1. Ökaryot gen düzenlenmesi farklı basamaklarda gerçekleşir 3. Ökaryotik genlerin transkripsiyon ürünleri, sitoplazmaya aktarılmadan önce moleküler işlemlerden geçirilir. 4. Ökaryotik mrna ların yarı ömrü, prokaryotlara göre daha uzundur. mrna yarı ömrü de hücre tipine ve zamana göre değişir bu sayede başka bir kontrol daha sağlanmış olur 5. Ökaryotlarda translasyon hızı da ayrıca düzenlenebilir 6

7 1. Ökaryot gen düzenlenmesi farklı basamaklarda gerçekleşir 1. Kromozom organizasyonu 2. Transkripsiyonel kontrol 3. Transkripsiyon sonrası kontrol 4. Sitoplazmaya aktarım 5. mrna kararlılığı 6. Translasyonel kontrol (örn; hangi mrna nın translasyona uğrayacağının seçimi) 7. Protein ürünlerinin translasyon sonrası değişimi 7

8 2. Kromozom organizasyonu Interfaz çekirdeğindeki her kromozom, kromozom sahası denilen ve onu diğer kromozomlardan ayıran bir bölgede bulunur. Kromozomlar arasında DNA bulunmayan kanallar bulunur: kromozomlar arası bölmeler. Kromozomlar büyüklüklerine ve içerdikleri gen yoğunluğuna göre çekirdekte organize olurlar. Daha az sayıda gen içerenler dış çevrede yerleşirken, daha yoğun gen içerenler iç bölgelerde bulunur. 8

9 2. Kromozom organizasyonu Kromozomlar devamlı olarak yeniden düzenlenir. Transkripsiyona uğrayan aktif genler, kromozomlar arası bölmelerin sınırlarına doğru konumlanırlar. Bu sayede aktif olan diğer genlerle koordinasyon sağlandığı düşünülmektedir Bu bölgelerde transkripsiyon proteinleri toplanmış durumdadır. 9

10 2.1 Kromatin yeniden şekillenmesi Kromatin iki şekilde değişikliğe uğratılır: 1. Nükleozomlar yani histonlara kimyasal gruplar eklenerek 1. Asetillenme, fosforlanma, metillenme Bu sayede DNA-histon arası bağlar zayıflar ve transkripsiyon proteinlerinin DNA ya erişimi kolaylaşır 2. İşlem tam tersine de çevrilebilir. Engelleyici enzimler asetilenmiş histonların asetil gruplarını keser ve transkripsiyon durdurulur

11 De-asetillenme Asetillenme

12 2.1 Kromatin yeniden şekillenmesi 2. DNA metillenmesi: DNA bazlarına metil grubu eklenmesi veya çıkarılması Genellikle CG çiftleri şeklinde bulunan sitozine eklenir = CpG adaları Bunlar genomda rastgele yerleşmemiştir ve genellikle genlerin promotor bölgelerinde yoğunlaşmışlardır Bu bölgelerdeki DNA ne kadar çok metillenmişse o genin ifadesi o kadar baskılanmıştır. Metillenme kalıtılır: Her dokuda farklı bölgeler metillenmiştir ve hücreler çoğaldığında yeni oluşan hücrelerde de aynı bölgelerin metillenmiş olduğu görülür Nasıl baskılar? Metillenmiş DNA ya transkripsiyon faktörleri bağlanamaz çünkü başka baskılayıcı proteinler bağlanır

13 Sitozin 5-metilsitozin Transkripsiyon faktörü: TF Gen Aktif transkripsiyon Gen İnaktif transkripsiyon

14 Orak hücre anemisi tedavisi Bir baz analoğu olan 5-azasitidin, DNA da sitozinin yerine girer. Bu molekül kimyasal olarak metillenemediği için girdiği bölgelerde metillenme derecesi düşer. Bu molekülün DNA ya aktarılması gen ifadesini değiştirir. ÖR: Bu olay, inaktif X kromozomu üzerindeki allellerin ifadesini uyarabilir. 14

15 Orak hücre anemisinin tedavisi Orak hücre anemisinin tedavisinde klinik denemelerde 5- azasitidin kullanılmaktadır. Embriyogenez sırasında - ve -globin genleri ifade olur. Fakat doğumdan hemen sonra -globin sentezinin başlaması ile birlikte bu genler inaktif duruma geçer. Hasta bireylerde -globin geni mutanttır. Bu bireylerde 5-azasitidin tedavisi ile -globin ve -globin genlerindeki metillenme oranı düşürülür. Böylelikle embriyonik ve fetal genlerin yeniden ifadesi sağlanır. 15

16 3. Transkripsiyonun düzenlenmesi Ökaryotik genlerde transkripsiyonu düzenleyen üç adet sis-etkili bölge bulunmaktadır: Promotorlar Sessizleştiriciler Kuvvetlendiriciler 16

17 3.1 Promotorların organizasyonu Promotorlar, transkripsiyon için tanıma noktası olarak görev yapan nükleotit dizileridir. Bazal seviyede transkripsiyon için şarttır Kontrol ettikleri genlerin hemen başında (yukarı bölgesinde) yer alırlar. Genellikle yüzlerce nükleotit uzunluğundadırlar. Tek tek mutasyonların transkripsiyona etkileri: sis etkili bölgelerdeki mutasyonlar transkripsiyonu azaltır 17

18 3.1 Promotor bölge Çoğu promotor bölge; TATA, CAAT ve GC kutuları gibi çok sayıda element içerir. RNA polimeraz II nin bağlanacağı bölge TATA kutusu olarak adlandırılır (-25 ila -30) CAAT kutusu transkripsiyon faktörlerinin DNA ya bağlandıkları bölgedir (70-80 bç) GC kutusu, GGGCGG dizisine sahiptir (-110), transkripsiyon faktörleri bağlanır 18

19 Promotorlar dinamik yapılardır Kuvvetlendirici Kuvvetlendirici Kuvvetlendirici Kuvvetlendirici 19

20 3.2 Kuvvetlendirici ve sessizleştirici diziler Genin iki tarafında da, genden biraz uzakta ya da genin içinde bulunabilirler. Yapısal genin yanında bulundukları için sis düzenleyiciler olarak adlandırılırlar. Birçok düzenleyici protein ve transkripsiyon faktörü ile etkileşirler. Böylece transkripsiyonun başlama kapasitesini artırabilir ya da promotoru aktif hale getirebilirler. 20

21 3.2 Kuvvetlendirici ve sessizleştirici diziler Kuvvetlendiricilerin promotor dizilerinden farkları: Kuvvetlendiriciler, kontrol ettikleri genin aşağısında, yukarısında ya da içinde bulunabilirler. Işlev üzerinde herhangi bir kritik etki göstermeksizin ters yönlü yerleşim gösterebilirler. Genomun başka bir bölgesine taşınırsa yeni bölgedeki genin transkripsiyonu artar. Sessizleştirici diziler de benzer şekilde sis etkili dizilerdir ve başlamış olan bir transkripsiyon işleminin yavaşlamasına sebep olurlar. 21

22 3.2.1 Immunoglobulin geni (gen içi kuvvetlendirici) Genin içinde bulunan ve bulunduğu geni düzenleyen kuvvetlendirici diziler barındırır kodlayıcı iki bölge (ekzon) arasındaki bir intronun içine yerleşmiştir. Sadece immunoglobulin genlerinin aktif olduğu hücrelerde aktiftir. 22

23 globin geni (gen dışı kuvvetlendirici) Insan -globin ve tavuk timidin kinaz geninde kuvvetlendiriciler genin sonrasında bulunur (aşağı kuvvetlendirici) Tavuklarda -globin ve -globin genleri arasında yer alan kuvvetlendirici Embriyonik gelişim sırasında -globin genini artıracak yönde ve Erişkin dönemde ise -globin genini artırmak üzere ters yönde çalışmaktadır. 23

24 3.3 Kuvvetlendiricilerin çalışma mekanizması Kuvvetlendiriciler, zamana ve dokuya özgül gen ifadesinden sorumludurlar. İşlev mekanizmalarını iki grup altında toplamak mümkündür: 1. Transkripsiyon faktörleri bu dizilere bağlanır ve kromatinin düzenini değiştirir. 2. Bu dizilere bağlanan proteinler DNA yı bükerek ya da halka yapısı oluşturarak, uzaktaki kuvvetlendirici ve promotorları, transkripsiyon faktörleri ve polimerazlar ile kompleks oluşturmasını sağlayacak kadar yakınlaştırırlar. 24

25 3.3.1 Transkripsiyon faktörleri Ökaryotlarda transkripsiyonun kontrolü için, DNA ya bağlanan proteinler ile, promotor bölgelerinin yakınındaki DNA dizilerinin birbiri ile teması gereklidir. Bazal veya genel transkripsiyon faktörleri adı verilen bir seri protein, transkripsiyonun başlamasının kontrolü için trans olarak etki ederler. Bu proteinler, promotor üzerinde son derece özgül bir biçimde bir araya gelerek transkripsiyon ön başlama kompleksini (PIC) oluştururlar Böylece RNA polimerazın promotoru tanımasını ve bağlanmasını sağlayacak bir platform oluşturulmuş olur. 25

26 26

27 3.3.2 Pozitif/negatif faktörler TATA kutusuna bağlanan transkripsiyon faktörlerinin yanı sıra, kuvvetlendirici bölgelere bağlanan faktörler de vardır. Bu faktörler transkripsiyonun etkinliğini artırırsa pozitif faktörler olarak adlandırılırlar. Eğer transkripsiyonun etkinliğini azaltıyorlarsa negatif faktörler olarak bilinirler. Bu proteinler, genin ne zaman ve nerede ifade olacağını ve transkripsiyonun oranını kontrol ederler. Pozitif faktörler, transkripsiyon oranını 100 kat artırabilir 27

28 3.3.3 Enhansozom Aktivatörler (pozitif faktörler) kuvvetlendirici dizilere bağlanarak enhansozom adı verilen kompleksleri oluştururlar. Enhansozom oluştuktan sonra buradaki proteinler, transkripsiyon kompleksindeki proteinlerle etkileşir

29 4. Transkripsiyon sonrası düzenlenme Pekçok organizmada görülen bir kontrol mekanizmasıdır. Ökaryotik hücrelerin çekirdeklerinde sentezlenen RNA molekülleri, translasyon öncesinde bazı değişikliklere uğrar. Intron dizileri çıkarılırken, kalan ekzonlar birleştirilir. mrna nın 5 ucuna bir şapka ve 3 ucuna polia kuyruğu takılır. Daha sonra bu olgun mesaj sitoplazmaya geçirilir. Bu basamakların her biri birer düzenlenme basamağıdır. 29

30 4.1 mrna nın seçenekli kesilme yolları Seçenekli kesilme ile tek bir öncül mrna molekülünden farklı formlarda pek çok olgun mrna oluşması sağlanır. Böylece tek bir genin ifadesi ile, benzer ya da farklı işlevleri olan bir protein ailesi meydana gelir. Küçük değişiklikler; Enzimatik aktiviteyi Reseptör bağlama kapasitesini Hücre içinde proteinin yerleşimini değiştirebilir. 30

31 4.1 mrna nın seçenekli kesilme yolları Kesilmenin doğru yapılmasını etkileyen mutasyonlar birçok genetik hastalığın temelini teşkil eder. Seçenekli kesilme, her bir genden meydana gelen protein sayısını artırır. Dolayısıyla hücrenin yapabildiği protein sayısı, genomundaki genlerin sayısı ile doğrudan bağlantılı değildir. Böylece insan genomundaki genden yüzbinlerce farklı protein oluşabilmektedir. 31

32 4.1 mrna nın seçenekli kesilme yolları Sıplays = kesilme 32

33 4.1.1 Örnek Kulaklarımız, çevremizdeki sesleri işitmek için binlerce frekans aralığındaki ses dalgalarını algılar. Iç kulaktaki kohlea nın bazal membranında dört sıra tüy hücresi bulunur. 33

34 4.1.1 Örnek Her hücre, farklı ve dar bir frekans aralığındaki seslere yanıt verir. SLO adlı genden elde edilen öncül mrna nın seçenekli kesilmesi ile tüylü hücrelerinin farklı frekansları almak üzere ayarlanması kontrol edilir. SLO dan elde edilen öncül mrna da en az sekiz seçenekli kesilme noktası vardır. Bu mrna daki kombinasyonları ile 500 den fazla farklı mrna oluşabilir. 34

35 4.1.1 Örnek SLO proteinlerinin bazı şekilleri, çok geniş bir frekans aralığındaki sesleri işitmemizi sağlar. 35

36 Aynı öncül mrna dan kaç farklı polipeptit üretilebilir? Drosophila da bulunan Dscam geni, akson gelişimini yönlendiren, nöronların birbiri ile doğru bağlantı kurmasını sağlayan bir proteini şifreler. Dscam öncül mrna sındaki; Ekzon 4 için 12 seçenek Ekzon 6 için 48 seçenek Ekzon 9 için 33 seçenek Ekzon 17 için 2 seçenek bulunmakta. Eğer bu seçeneklerin tümü kullanılırsa Dscam geni farklı protein oluşturur. 36

37 ÖRNEK para geni Drosophila ya ait diğer bir uç örnektir. Bu gende 13 tane seçenekli ekzon vardır. Ayrıca bu yapı, 11 noktada editing (düzeltme) adı verilen transkripsiyon sonrası modifikasyona uğrar. Bu işlem transkripsiyondan ve kesilmeden sonra yapılan baz değişimini içermektedir. Bu iki işlem birlikte düşünüldüğünde para geninden 1 milyondan fazla farklı transkript oluşturulabilir. 37

38 4.2 RNA sessizleştirmesi (sirna) Bitkilerde keşfedilen 21 nükleotit uzunluğunda kısa RNA molekülleri, sitoplazmadaki mrna nın transkripsiyonunu baskılamaktadır. Bu yolla sitoplazmik mrna nın yıkımını sağlamakta ve gen ifadesini düzenlemektedirler. Son zamanlarda, çekirdekte de buna benzer RNA ların kromatin yapısını değiştirdikleri ve gen sessizleştirmesini sağladıkları gösterilmiştir. 38

39 4.2 RNA sessizleştirmesi (sirna) RNAaz aktivitesi olan bir protein Dicer), çift zincirli RNA moleküllerine bağlanır. Onları, sirna lar adı verilen 21 nükleotitlik moleküllere parçalar. sirna lar, RISC kompleksleri tarafından tek zincirli RNA moleküllerine dönüştürülürler. Bunlar da, mrna daki tamamlayıcı dizilere bağlanarak, onları, parçalanmak üzere hedef haline getirir. 39

40 4.2.1 MikroRNA (mirna) Dicer aracılığıyla gerçekleştirilen bir başka sessizleştirme yöntemidir. Kısmi çift zincirli bir RNA molekülü Dicer tarafından işlenerek mirna oluşturulur. sirna mirna Bu mirna, mrna nın 3 - translasyona uğramayan bölgesindeki (UTR) tamamlayıcı dizilere bağlanır. Bu sayede translasyon engellenir. 40

41 5. mrna kararlılığı Tüm mrna moleküllerinin yaşam süreleri karakteristiktir. Sentezlendikten bir süre sonra sitoplazmada parçalanırlar. Farklı mrna moleküllerinin ömürleri de farklıdır. Bazıları sentezlendikten sonra birkaç dakika içinde parçalanır. Bazılarının ömrü ise saatler, aylar, hatta yıllarca sürebilir (oositte saklanan mrna gibi). mrna molekülünün kararlılığı ve buna bağlı olarak yıkım hızı, mrna nın nükleotit dizisine özgüdür. polia kuyruğundaki bazı diziler mrna nın enzimlerce kesilmesini yönlendirir. bu diziler ne kadar fazlaysa o mrna o kadar çabuk parçalanır. 41

42 6 Translasyon düzeyinde kontrol mrna kararlılığının diğer bir kontrol mekanizması translasyondur. Mesajın translasyonu, mrna nın kendi kararlılığını kontrol eder. 42

43 6.1 - ve - tübülin sentezi Translasyon seviyesinde kontrolün en iyi çalışılmış örneğidir. - ve - tübülin, hücre iskeleti yapısında ve iğ ipliklerinde bulunan mikrotübüllerin alt birimleridir. Eğer hücre kolçisin adı verilen madde ile muamele edilirse, mikrotubuller hızla bozunur. Ortamdaki - ve - alt birimlerinin sayısı artar. Bu durumda - ve - tubulinlerin sentezi belirgin oranda düşer. 43

44 6.1 - ve - tübülin sentezi Ancak hücreler vinblastin ile muamele edilirse tübülinlerin sentezi artar. bu madde, serbest - ve - alt birimlerinin çökmesine neden olarak konsantrasyonlarını azaltmaktadır. Düşük konsantrasyonda tübülinlerin sentezi hızlanırken, yüksek konsantrasyonda sentez engellenir. Bu tip translasyonel düzenlenmeye, otodüzenlenme adı verilir. 44

45 ortamda yoğunluğu artan - ve - tubulin alt birimleri, RNAaz ı harekete geçirerek tübülin mrna sının parçalanmasını ve tubulin biyosentezinin durdurulmasını sağlamaktadır. Ortamda serbest - ve - altbirim bulunmadığında RNAaz etkin değildir ve tübülin sentezi devam eder. 45