Doç.Dr.Erdal BALCAN 1

Transkript

1 www2.bayar.edu.tr/biyoloji/erdal.balcan E.Coli gibi bakteriler kısa yaşam süreleri içinde çeşitli çevresel koşullarla karşılaşırlar (ortam ile etkileşimleri fazla). Bakteriler ve diğer prokaryotlar evrimsel süreçte bu koşullara adapte olur. Bu adaptasyon çevre koşullarındaki değişikliklere göre yanıt olarak bazı genlerini açabilirler ya da kapatabilirler. Hücrelerde bir ürün metabolik açıdan gerekliyse bu ürünü kodlayan gen ekspresyonu açılır. Substrat yokluğunda veya ortamda yeterli yapıtaşı bulunduğunda metabolik enzimlerin üretimini durdurur (ekonomi). 1 2 GEN ÜRÜNLERĐ (BULUNUŞLARINA GÖRE) FAKÜLTATĐF (Uyum sağlayan, adaptif, indüklenebilen, uyarılabilen) ENZĐMLER Sadece substrat varlığında sentezlenir uyarılabilen, indüklenebilen enzimler UYARILABĐLEN SĐSTEMLER KONSTĐTÜTĐF ENZĐMLER Çevre koşullarına bakılmaksızın sürekli sentezlenen enzimler. Metabolik son ürün transkripsiyonu baskılar BASKILANABĐLEN SĐSTEMLER Represyon (basklama): bakterilerin eğer ortamda varsa çeşitli protein yada enzimlerin üretimini önlemesi Indüksiyon (uyarma): bakterilerin substratları olduğu durumda o substratı kullanan enzimi üretmesi. Uyarılabilen ve baskılanabilen sistemlerde negatif ve pozitif kontroller bulunur. 3 Uyarılabilen ya da baskılanabilen düzenleme negatif ya da pozitif kontrol altında bulunabilir. Bakteriler gen ifadelerini pozitif ya da negatif olarak düzenleyebilirler. Pozitif ve negatif düzenlemede farklılık promotora bağlanan molekülün tipidir. Negatif kontrolde; Regülatör tarafından engellenmedikçe genetik ifade gerçekleşir [Genlerin düzenleyici bir protein (repressör-baskılayıcı) protein tarafından etkilenmedikçe transkribe olmaları]. Pozitif kontrolde; Sadece regülatör molekülün RNA sentezini doğrudan uyarması ile transkripsiyon gerçekleşir. Uyarıcı rol oynayan laktoz doğrudan transkripsiyonu uyararak gen regülasyonun pozitif kontrolünü sağlar [Genlerin aktif düzenleyici bir protein (aktivatör) varlığında anlatım yapmaları]. 1

2 Düzenleyici (Regülatör) gen: bir ya da daha fazla genin kontrolünü sağlar. Bir regülatör gen bir protein kodlayarak ya da RNA düzeyinde (örn. mikrorna) etki gösterir. Prokaryotlarda regülatör genler genellikle baskılayıcı (repressör) proteinleri kodlar. Baskılayıcı protein operatöre ya da promotora bağlanarak RNA polimerazın bağlanmasına engel olur. Inducerler baskılayıcı proteinlerin şeklini değiştirerek ya da DNA ya bağlanmalarını engelleyerek RNA polimerazın transkripsiyon aktivitesine katkıda bulunurlar. Diğer regülatör genler aktivatör proteinleri kodlar. Bir aktivatör DNA da bir bölgeye bağlanarak genin transkripsiyonunu arttırır. Prokaryotlarda en iyi bilinen aktivatör protein, katabolit aktivatör proteindir (CAP). CAP, lac operonun pozitif kontrolünde rol alır. düzenleyici gen P O METABOLĐTLER Đnducer (indüktör) : baskılayıcı proteinin aktivitesini ortadan kaldırır. Korepresör: Baskılayıcı proteinlerin aktif hale getirir ya da aktivatör proteinlerin aktivitelerini baskılar. Yapısal genler düzenleyici protein metabolit Bazı metbolitler düzenleyici proteinleri etkileyerek transkripsiyonu düzenler 5 6 NEGATĐF KONTROL Negatif Đndüklenebilen Operonlarda, düzenleyici bir repressör normalde operatöre bağlanarak transkripsiyonu önler. NEGATĐF ĐNDÜKLENEBĐLEN OPERON Repressör (inaktif) Eğer bir indükleyici molekül varsa repressöre bağlanarak yapısal değişikliğe neden olur. Bu değişiklik repressörün operatöre bağlanmasını engeller ve transkripsiyon gerçekleşir. Aktif repressör Negatif Baskılanabilen Operonlarda, operonun transkripsiyonu normal olarak gerçekleşir. Repressör proteinler regülatör bir gen tarafından üretilir ancak normal konformasyonu ile operona bağlanamaz. Aktif repressör (inaktif) Repressör Ancak, korepressör (son ürün) repressör proteine bağlanır ve konformasyonal bir değişiklik yaparak repressörü aktif hale getirir. Aktive repressör operatöre bağlanır ve transkripsiyonu engeller. 7 Đnaktif repressör indüktör 8 2

3 NEGATĐF ĐNDÜKLENEBĐLEN OPERON NEGATĐF BASKILANABĐLEN OPERON Negatif represe olan operonda regülatör gen tarafından oluşturulan repressör inaktiftir ve operatöre bağlanamaz ve yapısal genler transkribe olur NEGATĐF BASKILANABĐLEN OPERON POZĐTĐF KONTROL aktivatör Aktivatör (Đnaktif) Aktivatör Pozitif indüklenebilir operonlarda, aktivatör proteinler normalde DNA ya bağlanamazlar. Bir indüktör, aktivatör proteine bağlandığı zaman yapısal değişiklik yaparak aktivatörün DNA ya bağlanmasını ve transkripsiyonun gerçekleşmesini sağlar. Eğer ortamda son ürün (burada product U yada korepressör) yeterince varsa bu ürünü oluşturacak genlerin transkripsiyonuna da gerek yoktur dolayısıyla son ürün inaktif repressöre bağlanır ve onu aktive ederek operatöre bağlanmasını sağlar ve transkripsyon önlenir. aktivatör Aktivatör Aktivatör (Đnaktif) Pozitif Baskılanabilir operonlarda, aktivatör protein normalde DNA segmentine bağlanabilir. Ancak, bir korepressör aktivatör ile birleştiğinde aktivatörün DNA ya bağlanması gerçekleşmez ve transkripsiyon durur

4 Repressör (inaktif) Aktivatör (Đnaktif) Aktivatör E.Coli de laktoz operonun düzenlenmesi (inaktif) Repressör Aktivatör Aktivatör (Đnaktif) Laktoz metabolizması

5 OPERON: birbiri ile aynı işlev gören ürünleri, sentezleyen genlerin oluşturduğu kümelerdir (örn. Aynı metabolik yol üzerindeki enzimler). Yapısal genleri ve kontrol elementlerini operatör, promotor ) içerir. YAPISAL GENLER: Enzimlerin birincil yapısını şifrelemek ile görevli olan enzimlerdir. OPERATÖR: komşu genin transkripsiyonunu kontrol eden kısa DNA bölgesi. Repressör proteinin bağlandığı DNA dizisidir ve bu diziye repressörün bağlanması komşu olduğu promotordan E.Coli de laktoz operonun düzenlenmesi Baskılayıcı gen lac I düzenleyici bölge P O Lac operonu Β-galaktozidaz yapısal genler lac Z lac Y lac A permeaz transasetilaz Operonun işlevi laktozu galaktoz ve glukoza metabolize etmesidir. B-galaktozidaz enzimi (lacz geni ürünü) bu reaksiyonu katalizler. Laktoz permeaz (lacy geni ürünü) laktozu hücre içine transfer eder. Lac A geni ürünü olan asetilazın ise işlevi bilinmemektedir. transkripsiyonu önler. PROMOTOR: RNA polimerazın bağlanarak transkripsiyonu başlattığı dizi. 17 Lac operonu genleri laktoz ortamda bulunduğunda ve gereksinim duyulduğunda transkribe olurlar. Yapısal genler lacz, lacy ve laca lac repressörü nün (sürekli olarak laci geni tarafından üretilir) kontrolü altındadır. Operonun promotor-operatör bölgesinde (düzenleyici bölgede) iki tip kontrol görülür (pozitif ve negatif Doç.Dr.Erdal kontrol) BALCAN 18 LAC OPERONUN NEGATĐF KONTROLÜ Bakteri enerjiden tasarruf yapar. ORTAMDA LAKTOZ YOK Baskılayıcı gen tarafından sentezlenen baskılayıcı protein operatöre bağlanır. Bu bağlanma RNA polimerazın aktivitesine engel olur enzim sentezi gerçekleşmez. LAC OPERONUN NEGATĐF KONTROLÜ ORTAMDA LAKTOZ VAR Laktoz baskılayıcıya bağlanır. Baskılayıcı yapısal değişikliğe uğrar. Bu değişiklik baskılayıcının operatöre bağlanmasını engeller RNA polimeraz yapısal genlerin transkripsiyonunu gerçekleştirir. lac I P O lac Z lac Y lac A lac I P O lac Z lac Y lac A RNA pol. ENZĐM SENTEZĐ YOK TRANSKRĐPSĐYON Baskılayıcı protein ENZĐM SENTEZĐ BAŞLAR NEGATĐF ĐNDÜKLENEBĐLEN OPERON NEGATĐF ĐNDÜKLENEBĐLEN OPERON

6 lac Operonun negatif kontrolü lac Operonun negatif kontrolü TRANSKRĐPSĐYON VAR Lac -repressor Negatif regülasyon lac repressörünün kontrolü altındadır. Repressör tetramer olarak bulunur ve 4 tane özdeş altbirimi vardır. Repressör operatöre yüksek afinite ile bağlanır ve RNA pol enziminin bağlanmasını bloke eder ve transkripsiyon önlenir (negatif kontrol). Lac operonunun negatif kontrolü induserin (indükleyici) eylemine bağlıdır. Burada inducer allolaktozdur. induser Lac repressörüne bağlanır ve her bir repressör altbiriminde şekil değişimine neden olur. Bu da repressörün operatöre olan afinitesini azaltır ve DNA dan ayrılmasına neden olur TRANSKRĐPSĐYON 23 TRANSKRĐPSĐYON YOK 24 6

7 LAC OPERONUN POZĐTĐF KONTROLÜ Lac repressörün yapısı CAP KATABOLĐT AKTĐVATÖR PROTEĐN (CAP) ORTAMDA GLUKOZ YOKSA CAP-cAMP kompleksi RNA pol. bağlama bölgesi bağlanma bölgesi Transkripsiyonel aktivatör protein P O lac Z lac Y lac A camp TRANSKRĐPSĐYON Ortamda glukoz yokken CAP RNA polimerazın promotora bağlanmasını kolaylaştırarak POZĐTĐF KONTROL etkisi yaratır. Ancak CAP ın promotor bölgeye bağlanabilmesi için camp ile kompleks oluşturması gerekir. camp adenilat siklaz enzimi ile ATP den sentezlenir. 25 Glukoz adenilat siklazı baskılayarak camp düzeyini düşürür. POZĐTĐF ĐNDÜKLENEBĐLEN OPERON 26 LAC OPERONUN POZĐTĐF KONTROLÜ ORTAMDA GLUKOZ VARSA P O lac Z lac Y lac A Adenilat siklaz TRANSKRĐPSĐYON AZALIR camp CAP ortamda glukoz varken LAC operonu baskılar. KATABOLĐK REPRESYON denilen bu olayda ortamda laktoz olsa bile lac operon aktive olmaz Hücre enerji kaynağı olarak glukozu kullanır

8 CAP bağlanmadığı için operon kapalı CAP bağlanmadığı fakat repressör bağlandığı için operon kapalı Lac repressör bağlandığı için operon kapalı CAP bağlı, repressör bağlı olamadığı için operon açık trp operonu TRĐPTOFAN OPERON Beş yapısal gen arka arkaya sıralanmıştır (trp E, D, C, B ve A). Bu enzimler triptofan biyosentezinde rol alacak enzimlerin sentezini düzenleyen tek bir polisistronik mrna olarak transkribe olur. 31 Figure 7-34 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science Doç.Dr.Erdal 2008) BALCAN 32 8

9 TRĐPTOFAN REPRESYONU Negatif düzenleme 33 Figure 7-35 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science Doç.Dr.Erdal 2008) BALCAN 34 TRĐPTOFAN ATTENUASYONU (YAVAŞLAMASI) Negatif düzenlemenin ikinci mekanizması trpe geni 5 UTR bölgesi 140 nukleotidlik bir dizi (LĐDER DĐZĐ- lider transkripttrpl) içerir ve attenuation denen regülatör mekanizmada önemli bir rol oynar. Lider transkriptin bir kısmı 14 amino asitlik bir kısa polipeptid (lider peptid) kodlar. Bu peptid iki kısa komşu triptofan bölgesi içerir. Bu transkript 1-4 olarak betimlenen 4 kısa dizi içerir. Dizi 1, kısmen dizi 2 ile komplementerdir. Dizi 2, kısmen dizi 3 ile, dizi 3 kısmen dizi 4 ile komplementerdir. Dolayısıyla 1-2, 2-3 ve 3-4 saç tokası formu oluşabilir. Ancak, 2-3 oluşumu 3-4 formununun oluşumunu engellemektedir. 3-4 yapısı bir transkripsiyon sonlandırma dizisidir. Bu yapı RNA polimerazı DNA dan uzaklaştırdıktan sonra operonun yapısal genlerinin transkripsiyonunu sonlandırır. Figure 7-36 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science Doç.Dr.Erdal 2008) BALCAN

10 5 UTR-LĐDER DĐZĐ: mrna nın ve onu kodlayan DNA nın özel bir dizisidir. Transkripsiyonun başladığı +1 pozisyonundan başlar ve start kodondan (genellikle AUG) yaklaşık 8 baz önce (upstream) sonlanır. Genellikle Shine Dalgarno dizisi (AGGAGGU) içerirler. INT Triptofan azsa dizi 2 ile 3 saç tokası formu oluşturur 2 3 Transkripsiyon devam eder 1 Hücrede triptofan düzeyi düşük olduğu durumda ribozom 2 trp kodonundan bir tanesinde durur. Ribozom bu duruşuyla dizi 1 i fiziksel olarak maskeler, böylece 1-2 yapısının oluşumunu engeller. Dizi 2, dizi 3 ile 2-3 yapısını oluşturmak için hibridize olur. Bu hibridizasyon 3-4 terminasyon formunun oluşumu engeller. RNA polimeraz böylece transkripsiyona devam eder. 39 Triptofan azsa dizi 2 ile 3 saç tokası formu oluşturur Transkripsiyon devam eder 40 10

11 Triptofan çoksa dizi 3 ile 4 saç tokası formu oluşturur Transkripsiyon sona erer (attenuasyon) Eğer triptofan hücrede çoksa ribozom lider diziyi tamamen ve ara vermeden sentezleyecek, sadece stop kodonda duracaktır. Bu noktada Triptofan çoksa dizi 3 ile 4 saç tokası formu oluşturur Transkripsiyon sona erer (attenuasyon) ribozom fiziksel olarak dizi 1 ve dizi 2 yi maskeleyecektir. Böylece, dizi 3 ve 4, 3-4 yapısını oluşturmak için eşleşir ve transkripsiyonu sonlandırır RNA daki GC bazları kendi aralarında eşleşerek saç tokası formunu oluşturur. Bu yapı RNA polimeraz için fiziksel bir stres yaratır ve transkripsiyon durur. RNA daki saç tokası formunu 4 ya da daha fazla urasil bazı izler. RNA daki urasil bazları ile kalıp DNA daki Adeninlerin karşılıklı gelmesi ile oluşan zayıf etkileşim RNA nın DNA dan kopmasına neden RNA daki saç tokası formunu 4 ya da daha fazla urasil bazı izler. RNA daki urasil bazları ile kalıp DNA daki Adeninlerin karşılıklı gelmesi ile oluşan zayıf etkileşim RNA nın DNA dan kopmasına neden olur. olur

12 Trp düzeyi yüksekse 3 ve 4. bölge eşleşerek transkripsiyonu durdurur (Attenuasyon) Trp düzeyi düşükse 2 ve 3. bölge eşleşir Triptofan çoksa dizi 3 ile 4 saç tokası formu oluşturur KAYNAKLAR: Transkripsiyon sona erer (attenuasyon) Triptofan azsa dizi 2 ile 3 saç tokası formu oluşturur Transkripsiyon devam eder 1. Watson JD, Baker TA, Bell SP, Gann A, Levine M, Losick R Molecular Biology of the Gene 5th ed Watson JD, Baker TA, Bell SP, Gann A, Levine M, Losick R Molecular Biology of the Gene 6th ed Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P. Molecular Biology of the Cell 5th ed Clark D. Molecular Biology 1st ed