İ.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü Moleküler Biyoloji ve Genetik TRANSKRİPSİYON AŞAMASINDA KROMATİN YAPININ DÜZENLENMESİ Merve YILMAZER 2601120219
İÇERİK Kromatin ve nükleozom yapısı Transkripsiyon aşamasında kromatin yapısının düzenlenmesi DNA metilasyonu Histon Modifikasyonları Asetilasyon Metilasyon Fosforilasyon Ubiquitinasyon Sumoylasyon Kromatin değiştirici kompleksler SWI/SNF kromatin değiştirici kompleks ailesi ISWI kromatin değiştirici kompleks ailesi SWR1 kromatin değiştirici kompleks ailesi
DNA bazı proteinler ve RNA ile kromatin yapıyı oluşturmaktadır. Kromatin DNA, histon proteinleri, histon olmayan proteinler ve RNA dan oluşur.
DNA ve histonlar nükleozom şeklinde organize olmuşlardır. Nükleozom tekrarları kromatini meydana getirmektedir. Bir nükleozom H2A, H2B, H3 ve H4 histonlarından iki kopya içeren bir çekirdek, bir adet H1 ve DNA(146 bç.) molekülünden meydana gelir
Nükleozomda paketlenmiş DNA ların transkripsiyonu meydana gelebilmesine rağmen kromatinin bazı özel formlarında DNA gen aktivatör proteinin ulaşımını engeller. Kromatinin yüksek derecede yoğunlaşmış inaktif formu heterokromatin olarak adlandırılır ve kromatin iplikçiklerinin yoğun olduğu koyu renkli bölgelerdir. Kromatin iplikçiklerin daha dağınık olduğu bölgeye ise ökromatin adı verilmektedir.
Heterokromatin iki sınıfa ayrılmaktadır: fakültatif heterokromatin, konstitütif heterokromatin. Fakültatif heterokromatinde kromozomun ya tamamı ya da belli bir kısmı heterokromatik yapıdadır. Organizmanın gelişiminin belli evrelerinde veya belirli hücre gruplarında spesifik olarak inaktiftir. Konstitütif heterokromatin tüm hücrelerde daima yoğun haldedir, yüksek miktarda tekrarlı DNA dizisi içerir.sentromer, telomer ve Y kromozomunun distal kolları gibi birkaç bölgede yer alır.
Tipik insan hücresinde genlerin %20 kadarı anlatım yapmaktadır. Yüksek derecede farklılaşmış hücreler (kas, sinir vb.) farklı genlerin anlatımlarını gerçekleştirmektedir. Her hücre aynı genoma sahip olmasına karşın farklı genlerin anlatımını yapmaktadır.( Epigenetik)
Gen anlatımının kontrolünde çeşitli epigenetik değişimler rol oynamaktadır. Bu değişimler DNA da veya histon proteinlerinde meydana gelen değişimlerdir. DNA metilasyonu Histon modifikasyonları Asetilasyon Metilasyon Fosforilasyon Ubiquitinasyon Sumoylasyon
TRANSKRİPSİYON AŞAMASINDA KROMATİN YAPININ DÜZENLENMESİ Transkripsiyon aşamasında genlerin anlatım yapabilmeleri için kromotin yapı, enzimler tarafından okunabilecek şekilde daha az yoğun halde (ökromatin) bulunmalıdır. Nükeleozom yapısı, DNA molekülünde meydana gelen değişimler ve bazı protein komplekslerinin yardımıyla transkripsiyonun gerçekleşmesi için çeşitli değişimler meydana gelmektedir. Bu değişimler DNA metilasyonları, histon modifikasyonları ve nükleozom yapısında değişim meydana getiren bazı protein kompleksleriyle gerçekleşir.
1-DNA Metilasyonu DNA metiltransferaz (DNMT) enzimi tarafından CpG adalarında sitozinin 5 nolu karbon atomuna metil transferi gerçekleştirilmektedir. Omurgalı DNA sında CG baz çiftlerinin %70 den fazlası metilenmiş durumdadır.bu metillenme aktif olan genlere bağlı olarak canlıdan canlıya ve dokudan dokuya farklılık göstermektedir. Aktif genlerin promotör bölgelerinde metilasyon seviyesi düşüktür.
Gen anlatımının düzenlenmesinde genlerin promotör bölgelerindeki metillenme transkripsiyon faktörlerinin tanıma bölgelerinde değişiklikler meydana getirerek bu faktörlerin bağlanmasını engeller ve gen anlatımı baskılanır. Hücre farklılaşmasıyla beraber farklı dokularda farklı genlerin anlatımının temelinde bu düzenleme yatmaktadır.
2-Histon Modifikasyonları Nükleozom yapısını oluşturan histon proteinlerinin bazik amino terminal uçları nükleozomdan çıkıntılar yapmaktadır. Bu uçlar çeşitli modifikasyonlara uğrar. Histonlardaki modifikasyonlar kromatin yapısının gevşek veya sıkı olmasını belirleyerek gen anlatımında düzenleyici rol oynar.
2.1. Asetilasyon Deasetilasyon Asetil grupları histonlardaki pozitif yükü nötralize ederek histonlar ve DNA arasındaki elektrostatik etkileşimleri zayıflatmaktadır. Histon asetil transferaz (HAT) enzimi histon proteinlerinin nukleozomdan dışarı uzanan N terminal uçlarındaki lizin rezidülerini asetillemektedir. Transkripsiyonda rol alan faktörler asetilasyon bölgesinde promotörlere kolaylıkla ulaşabilmektedir
Histon deasetilasyonu histon deasetilaz (HDAC) tarafından gerçekleştirilmektedir. Deasetilasyon kromatin yapının yoğunlaşmasına neden olmaktadır, böylece gen anlatımı engellenmiş olur.
2.2. Metilasyon Histon metiltransferaz enzimi aracılığıyla histon proteinlerine metil gruplarının ilavesi gerçekleşmektedir. Metilasyon hem lizin hem de arginin rezidülerinde meydana gelmektedir. Histon metilasyonları gen anlatımının hem aktivasyon hem de represyonunda rol oynamaktadır. Metilasyon lizin ve arginine eklenen metil gruplarının sayısı ve eklendiği rezidüye bağlı olarak gen anlatımının düzenlenmesinde rol oynar.
H3 de 9.lizindeki dimetilasyon ve H3 de 27. lizindeki trimetilasyon gen sessizleşmesi ve heterokromatin oluşumuyla ilişkilidir. Buna karşın H3-K4, H3-K6 veya H3-K79 daki metilasyonlar aktif kromatin ile ilişkilidir.
2.3. Ubiquitinasyon Tek bir ubiquitin ilavesi yıkım için sinyal oluşturmak yerine proteinin fonksiyonunu değiştirebilir. Histon H2B deki monoubiquitinasyon gene bağlı olarak transkripsiyonun aktivasyonu veya inaktivasyonuyla ilişkilidir. Bağlayıcı histon olan H1 in monoubiquitinasyonu onun DNA dan serbest kalmasına neden olur. Bağlayıcı histon proteinin olmadığı durumda kromatin yapı daha az yoğundur.buna bağlı olarak gen aktivasyonu sağlanmış olur.
2.4. Fosforilasyon Histon proteinler spesifik bir kinaz tarafından fosforlandığında treonin veya serin rezidüsüne bir veya daha fazla fosfat grubu eklenmektedir. Histonlar negatif yükle yüklenmiş olurlar. H1 in fosforilasyonu ya H1 in DNA dan uzaklaşmasına ya da DNA ya daha gevşek bağlanmasına neden olur. Her iki durum da gen aktivasyonuyla sonuçlanmaktadır.
2.5. Sumoylasyon SUMO hedef proteinin lizinlerindeki amino grubuna karboksil ucuyla bağlanan 97 amino asitlik bir proteindir. Sumoylasyon transkripsiyonal represyon ile ilişkilidir.
3-Kromatin Değiştirici Kompleksler (Chromatin remodeling complexes) Kromatin değiştirici kompleks DNA ve histon arasındaki etkileşimi değiştirerek transkripsiyon faktörlerinin DNA düzenleyici elemanlarına bağlanması için ATP kullanmaktadır.
Kromatin değiştirici kompleks kromatin yapısında en az dört farklı değişiklik meydana getirebilir; Nükleozomun kayması: nükleozomun DNA üzerindeki konumu değişir. Nükleozomda şekil değişikliği : DNA daha erişilebilir hale gelir ama histonlar bağlı kalır. Nükleozomun yerinden çıkarılması : Histon ve DNA tamamen ayrışır. Nükleozomun değişimi: Bir histonla histon türevi yer değiştirir.
3.1. SWI/SNF kromatin değiştirici kompleks ailesi SWI/SNF görevi; nükleozomun kayması ve ayrılması SWI/SNF ve RSC tipi kromatin değiştirici kompleks nükleozomun kaymasına neden olur. SWI/SNF nin ATPaz aktivitesiyle elde edilen enerji, histon oktomerinin etrafındaki DNA yolunun değiştirilmesinde kullanılır. Bazı yüksek derecede anlatım yapan aktif genlerde nükleozomlar DNA dan tamamen ayrılmaktadır. Değiştirici kompleksin histon oktameri etrafındaki DNA nın yolunu değiştirmesinden sonra transkripsiyon faktörleri DNA ya ulaşabilir hale gelir.
Sıklıkla SWI/SNF ve histon asetiltransferaz arasındaki işbirliği ile kromatin yapısında değişim meydana gelir.
3.2. ISWI kromatin değiştirici kompleks ailesi SWI/SNF ve RSC tipi kromatin değiştirici komplekslerin aksine ISWI ailesinin üyeleri nükleozom yapısını bozmaksızın DNA boyunca oktomerleri kaydırarak fonksiyonlarını yerine getirir.
3.3. SWR1 kromatin değiştirici kompleks ailesi Histon oktomerde bir histon türeviyle yer değiştirir. SWR1 kompleksi H2A.Z-H2B dimerlerini H2A-H2B dimerleriyle değiştirebilir. Telomere yakın bölgeler gibi anlatımı baskılanmış bölgelere bitişik olan aktif genlerde H2A.Z histon varyantları bakımından zengindir. Bu histon türevlerinin varlığı komşu ökromatik bölgelerde heterokromatin yapının oluşumunu engeller.
SONUÇ Transkripsiyon gerçekleşmediği zamanlarda DNA nükleozom yapısıyla sıkı bir şekilde bulunmaktadır. Transkripsiyon gerçekleşeceği zaman eş zamanlı olarak DNA demetilasyonu, histon asetilasyonu, pozisyona bağlı olarak histonda meydana gelen modifikasyonlar (fosforilasyon, ubiquitinasyon, sumoylasyon ve metilasyon ) ve kromatin yapıyı değiştirici protein kompleksleri aracılığıyla kromatin yapı gevşek hale gelir. Böylece transkripsiyon faktörleri ve RNA Polimeraz anlatımı gerçekleşecek olan hedef proteinin promotörüne ulaşabilir.
TEŞEKKÜRLER