GEN EKSPRESYONU: GENDEN PROTEİNE

GENLER ve İŞLEVLERİ GEN EKSPRESYONU: GENDEN PROTEİNE Hazırlayan: Yrd.Doç.Dr. Yosun MATER Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

Genlerin Doğası Şimdiye kadar öğrendiklerimiz bize canlıya ait bilgilerin DNA da yer aldığını ve buradan tanımlandığın gösterdi. Bu bölümde, bu tanımlama prosesini diğer bir değişle genlerin-bilginin okunması ve kullanılması, yani RNA vasıtasıyla proteine dönüştürülmesi basamaklarına gen ekspresyonunu anlamaya çalışacağız. Genlerin, nasıl tanımlandığı üzerine çalışmalar 1902 de Archibald Garrod un çalışmaları ile başladı. Garrod sendromu diye kabul edilen bu rahatsızlık doğuştan gelen bir metabolik bozukluktur. Buna göre bu hastaların idrarları siyahtır, çünkü idrar içinde kimyasal alkapton (Alkali maddelere ilgi gösteren, homojenik asit) denilen bir madde yer alır.

Garrod Alkaptonüri (=Alkaptonuri) kalıtsal bozukluğunun, bazı metabolik enzimlerin düzgün çalışamaması, yetersizliği ile bağlantılı olduğunu buldu. Garrod, Mendel in bezelyelerinden sonra, genlerdeki karakterlerin, bağımsız genlerde tanımlandığını ve fenotipte gözlendiğini, insanda ilk tanımlayan - ele alan araştırıcılardan biridir. Böylece Bir gen-bir enzim hipotezini ilk ortaya atanlardandır. 1930 larda George Beadle ve Boris Ephrussi meyve (sirke) sineği Drosophila da göz renklerinde görülen farklılığın, genlerdeki değişime bağlı olduğunu ortaya attılar. Bu fikir Beadle ve Edward Tatum tarafından Neurospora crassa genlerinde ve dolayısıyla enzimlerinde yapılan denemeler yardımıyla 1920 ler de gösterildi. Bu denemeye göre Arjinin amino asitini sentezleyemeyen Neurospora mutantların da, bu amino asiti sentezlemeyi sağlayan enzimin eksik olduğunu gösterdiler. Bu sonuca dayanarak Beadle ve Tatum "bir gen / bir enzim hipotezini ileri sürdüler ve bu çalışmaları ile 1952 de Nobel ödülü aldılar (Şekil 15.1, 17.2).

BİR GEN BİR PROTEİN DİĞER BİR DEĞİŞLE MERKEZİ DOGMA Beadle ve Tatum un çalışmasıyla, Merkezi Dogma / Santral Dogma diye tanımlanan bu bilgi akışının yönü, hücrede; DNA dan RNA ya ve proteine doğru ilerlediği tanımlandı (Şekil 15.2, 17.3). Santral Dogma, böylece DNA şablonun, mrna kalıbına kopyalanması (antisense), buradan da diğer kodlama şekillerine çevrilmesi olarak kabul edildi. Transkripsiyon da (= Kopyalama); bir RNA, DNA da yer alan genetik kodun/bilginin RNA ya, yani RNA diline kopyalanması ile gerçekleşir. Translasyon da (=Çeviri) ise bu RNA bilgileri, RNA dili proteinleri sentezlemek için amino asit diline çevrilir. Bu basamaklarda, bir adaptör molekül olan mrna ve trna kullanılır. Bu aracı moleküller bilginin protein dizisine çevrilmesi yani, amino asit (aa) diline dönüştürülmesi için okunmadan, bağlanmaya hayati öneme sahiptir. Özetle RNA nın gen ekspresyonu birden fazla rolü vardır.

Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

Genetik Kod Bu bilgi akışının belirlenmesini takiben, bilinen yirmi aa için genetik bilginin nasıl kodlandığı araştırılmaya başlandı. İki azotlu bazın bir aa tanımladığı fikri; 4 olasılık olması nedeniyle yalnız (4x4=16) aa tanımlamaya yetecekti. Dolayısıyla bu olasılık matematiksel olarak mümkün değildi. Diğer alternatif Crick ve Brenner üçlü gruplar halinde kodun okunuyor olmasıydı. Aynı araştırıcılar, kod un birbiri ile örtüşmeyen ve üçlü gruplar halinde okunduğunu gösterdiler. Buna göre, bir kodon 3 nükleotitten oluşuyorsa, 8 olasılık vardı. Dolayısıyla 8x8= 64 olası kodon olmalıydı. Bu sonuç çerçeve okuma kavramını ortaya çıkardı. Sonraki aşamada Nirenberg ve diğerleri kodu deşifre ettiler. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

Buna göre, üç lü kodon sistemi içinde üç tane "Dur=Stop" kodu ve bir tane "Başla=Start" kodu olduğu ve bunun metionin aa tanımladığı belirlenmiştir. Böylece kalan 61 kodon 20 amino asit kodlar. Bu kodlar dejenere farklı olabilir ama her biri bir aa özeldir (Şekil 17.4). Birçok amino asitin birden fazla kodonu vardır fakat her bir kodon sadece tek bir amino aside özeldir. Amino asit tanımlayan kodlar genellikle evrenseldir ama istisnalar olabilir. Örneğin bazı mitokondrial ve protista genomlarında bir DUR kodonu bulunduğu gösterilmiştir (Tablo 15.1). Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

Genetik Kodun Evrimi Gümüzde yapılan çalışmalarda bazı genler, canlılardan izole edilip başka canlılarda eksprese edilebilmektedir. Bu çalışmalara dair değişik örnekler mevcuttur. Örneğin ateş böceği immunofloresan geni transfer edilmiş bir tütün bitkisi ve/veya benzer olarak deniz anası immünofloresan geni transfer edilmiş domuzda genlerin ekspresyonu farklı görünümlere neden olabilir (Şekil 17.6). Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

Prokaryotik Transkripsiyon Prokaryotlar tek bir RNA polimeraza sahiptir. Prokaryotik RNA polimeraz iki şekilde bulunur. Çekirdek polimeraz (=core polimerase), mrna sentezler ve holoenzim, çekirdek σ (Sigma) faktörü ile sentezin doğru başlamasını düzenler (Şekil 17.7, 15.6). Başlama promotorlar vasıtasıyla ile gerçekleşir. Başlama; başlangıç bölgesine ve bir promotora (başlatıcı) ihtiyaç duyar. Promotor sentez başlama bölgesinde yer alır ve sentez buradan devam eder. RNA polimeraz ın holoenzimi bu bölgenin yaklaşık 30-35 baz öncesine (-35) bağlanır ve böylece holoenzim polimerazı düzgün konumlandırır.

Uzama ardışık nükleotid eklenmesi ile devam eder. Transkripsiyon 5'-3 'yönünde ilerler. Transkripsiyonda bölgesel çözülen DNA, küçük ilmekler içerir. Burada RNA polimeraz vardır. Bu bölgeler kalıptır ve uzayan mrna çevirisini taşır (Şekil 15.7, 17.9).

Sonlandırma özel bölgelerde meydana gelir. Sonlandırıcılar her iki zincirde de bulunan tamamlayıcı dizilerden oluşur. Bu noktalar polimerazın durakladığı ilmek yapıları oluşturur (Şekil 15.8). Prokaryotik transkripsiyon, translasyon ile birlikte gerçekleşir (Şekil 17.7). Prokaryotlarda transkripsiyon başladığında, mrna'ya translasyonda başlar ve devam eder. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

Ökaryotik Transkripsiyon (Şekil 17.8) Ökaryotlarda üç RNA polimeraz vardır. RNA polimeraz I ; rrna transkripsiyonunda; RNA polimeraz II; mrna ve bazı snrnas transkripsiyonun da; RNA polimeraz III; trna transkripsiyonunda önemlidir. Her polimeraz kendi promotoruna sahiptir. Sentezi başlatma ve sonlandırma Prokaryotlardan farklıdır. Prokaryotik promotorlardan farklı olarak sentez başlangıcında RNA polimeraz II, promotorları bir sürü farklı transkripsiyon faktörlerine ihtiyaç duyarlar. Buna karşın transkripsiyon sonrasın da, mrna modifikasyonu oluşur. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

Ökaryotik transkripsiyonda modifikasyonlar (=değişiklikler) vardır (Şekil 15.11, 17.10). Transkripsiyondan sonra, bir metil-gtp kapağı-şapkası ve 5 'ucuna ilave edilir. Bir poli-a kuyruk 3 'ucuna ilave edilir. Kodlamayan iç bölgelere de kesilerek çıkarılır (Şekil 17.11). Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

Ökaryotik Pre-mRNA Uzaklaştırılması Ökaryotik genleri kesintileri içerebilir. DNA nın kopyalanan kısımları (=ekzon) ve kopyalanmayan kısımları (=intron) kesilir (Şekil 17.13). Yani DNA nın intron bölgelerini uygun sistemler tanır, bağlanır ve kesip uzaklaştırırlar (Şekil 15.13). Splizomlar(=Spliceosome) kesme birleştirme/yapıştırma organelleri/araçlarıdır. Küçük nüklear ribonükleoproteinler (=small nuclear ribonucleo protein particles = snrnps) intron-ekzon geçiş bölgelerini tanırlar. Bu bölgeleri birbirinden kesip, ayırırlar ve aralarını splizomlar ile onarırlar. Splizomlar sonuçta sentezdeki ilk ekzonun 5' ucundan, 3'ucuna doğru ipliğe katılıp, sonraki ekzonların sonuna kadar ilerler. Bu şekilde aynı genden transkripsiyon aşamasından birden fazla üretebilir.

trna nın Yapısı trna yaklaşık 80 nükleotid uzunluğunda ve yonca yaprağına benzer bir şekle sahiptir (Şekil 17.15a). Üç boyutlu görüntüsü ise ters L harfine benzer (Şekil 17.15b). Aminoasil-tRNA sentetazlar amino asitleri trna ya ekler (Şekil 17.16). Amino asitler, trna ya elektrik bir reaksiyon yardımıyla takılır. Doğru amino asit, doğru trna nın karboksi terminallerinin 3' ucuna bağlanır (Şekil 15.15).

Ribozom birden fazla trna-bağlayıcı bölgelere sahiptir. Amino asit yüklenmiş, bağlanmış bir trna ribozomlarda ilk olarak A bölgesine bağlanır. Sonra P bölgesine gider. Burada amino asitler birbirlerine peptit bağları ile bağlanırlar. Son olarak E bölgesine gider. Bu bölge amino asitini ve trna nın ribozomdan salınmasını sağlayan bölgedir (Şekil 15.16, 17.17).

Ribozom hem kod çözme hem de enzimatik fonksiyon içeren bölgelere sahiptir. Ribozomlar hem trna yı hem de mrna tutan bölgelere sahiptir. mrna nın taşıdığı üçlü baz kodonu, aa diline çevirir ve enzimatik kısmı ile bu amino asitler arasında peptit bağları oluşturma yeteneğine sahiptir. Sentez başlangıcı (inisiyasyon) yardımcı faktörler gerektirir (Şekil 17.18). Prokaryotlardaki başlatıcı(inisiyasyon)-kompleksi oluşumuna bakarsak; mrna nın ribozoma bağlanması yardımcı diziler [ribosome-binding sequence (RBS)] tarafından desteklenir. Bu tamamlayıcı diziler ribozomun küçük alt birimin de yer alır. Ökaryotlar aynı işlev için 5' başlık/şapka yapılarını kullanırlar. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER

Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER Uzama ardışık amino asitlerin başarı ile eklenmesi ile gerçekleşir. mrna Ribozom boyunca hareket ettiği zaman, uygun amino asit yüklü yeni bir trna ribozoma bağlanır ve peptid bağları ile zincire ilave edilir (Şekil 17.19, 15.20).

Sonlanmada yardımcı faktörler gerektirir. Dur kodonları sonlandırma faktörleri tarafından tanınır (Şekil 17.20).

Oluşturulan bazı proteinler ER hedeflenmiş olabilir. Ökaryotlarda proteinler bir sinyal dizisi yardımı SRP ve biraz karmaşık bir mekanizma ile ER üzerinde uygun bölgeye bağlanırlar (Şekil 15.22, 17.21, 17.22, 17.23).

Gen Ekspresyonunun Özeti Gen ekpresyonu son derece karmaşık bir mekanizmadır. Burada yer alan anahtar noktaları özetlersek (Şekil 17.24; Tablo 15.2); 1.Gen ekspresyonu genotipik bilginin fenotipe çevrilmesidir. 2.Genetik bilgi önce mrna bilgisine ve onun yardımıyla sitoplazmada yer alan ribozomlar vasıtasıyla protein diline çevrilir. 3.Hem transkripsiyon, hem translasyon başlangıç, uzama ve sonlanma aşamalarında bozulabilir. Dolayısıyla tüm bu aşamalarda kontrol edilir. 4.Ökaryotik gen ekspresyonu, prokaryotik gen ekspresyonundan daha karmaşıktır/komplekstir.

Mutasyonlar; Değiştirilmiş (Altered) Genler DNA'da tek bir bölgede yer alan nokta mutasyonların etkileri; Bir bazın diğer baz ile yer değiştirmesi ile oluşan baz değişimleri ve bir bazın eklenmesi (=insertion) veya çıkartılması (=deletion) ile oluşan çerçeve kayma (=frameshift) ve kendini artırarak tekrar eden üçlü kod mutasyonları genetik hastalıklara neden olabilir (Şekil 17.25, 17.26). Kromozom mutasyonlarına bağlı olarak kromozom yapısını değişikliklerine, kromozomlara parça eklenmesi, silinmesi, inversiyon veya translokasyonlar dahildir. Mutasyonlar evrimin başlangıç noktasıdır diye düşünülür. Bize göre genlerin doğasında görülen bu değişiklikler ile yeni bilgiler edinilmektedir.

Kaynaklar Campbell Biology 10th ed.(2014) Neil A. Campbell, Jane B. Reece, Unit 3, Part:17, p: 333-359 Pearson Benjamin Cummings, 1301 Sansome St., San Francisco, CA 94111. Biology / 9th ed (2008)Peter H. Raven George B. Johnson, Kenneth A. Mason, Jonathan B. Losos, Susan R. Singer, Chapter 15, p:278-303. The McGraw-Hill Companies, Inc., 1221 Avenue of the Americas, New York, NY 10020. Yrd.Doç.Dr.Yosun MATER