MBG 505 BAKTERİ GENETİĞİ Transkripsiyon ve Transkripsiyonun Düzenlenmesi Emrah ÖZÇELİK
Ribonükleik asit (RNA)
3 tip RNA Mesajcı RNA (mrna) (genetik seviyede) Transfer RNA (trna) Ribozomal RNA (rrna) (fonksiyonel seviyede)
Genetik bilgilerin DNA dan RNA ya transkripsiyonu, RNA polimeraz enzimi tarafından gerçekleştirilir.
RNA Polimerazlar RNA polimerazın DNA kalıbı, çift zincirli bir DNA molekülüdür. RNA polimerazlar, Bacteria, Archaea ve Eukarya arasında önemli farklılıklar gösterir. Bacteria ve Archaea tek bir RNA polimeraza sahipken, ökaryotlarda nükleus bu enzimden her biri farklı tip genlerin transkripsiyonunda rol alan üç tane RNA polimeraz içerir: RNA polimeraz I, II, III
RNA Polimerazlar Escherichia coli'nin RNA polimeraz enzimi β, β, α ve σ (sigma) olmak üzere dört farklı alt üniteye sahiptir. Kor enzim, kendi başına RNA'nın oluşumunu katalizleyebilir. Sigmanın rolü, RNA sentezinin başlaması için DNA üzerindeki uygun bölgenin tanınmasını sağlamaktır.
Promotorlar RNA polimerazın bir RNA zincirini doğru bir şekilde başlatabilmesi için, ilk önce DNA üzerinde bulunan uygun bölgeleri tanıması gerekir. Bu önemli bölgeler promotorlar adını alırlar. Bakterilerde promotor bölgeleri RNA polimerazın σ alt ünitesi ile tanınır. RNA polimeraz promotora bağlanınca transkripsiyon başlar. Kısa bir RNA zinciri oluşunca, sigma faktör ayrılır. RNA'nm uzatılması, daha sonra sadece kor enzim tarafından devam ettirilir. Yeni sentezlenen RNA, DNA'dan ayrıldıkça açılmı olan DNA kapanarak orijinal ikili sarmala dönüşür. Transkripsiyon, transkripsiyon sonlandırıcılar olarak isimlendirilen özel bölgelerde durur.
Sigma Faktörleri ve Konsensüs Diziler Promotorlar RNA polimerazın DNA ya bağlandığı spesifik sekanslardır. E. coli nin majör sigma faktörü σ70 (70kDa) σ70 promotorlarda bulunan ve yüksek oranda korunmuş olan iki kısa bölgeyi tanır. Her iki dizi de transkripsiyon başlangıcından yukarı bölgededir. Dizilerde biri transkripsiyon başlangıcından önceki 10 bazlık bir bölge olup -10 bölgesi (Pribnow kutusu olarak isimlendirilir)'dir. Bu bölgenin konsensüs dizisi TATAAT dır. Korunmuş dizinin ikinci bir bölgesi, transkripsiyonun başlangıç yerinden yaklaşık 35 baz yukarıdadır. -35 bölgesindeki ortak dizi TTGACA'dır
Sigma Faktörleri ve Konsensüs Diziler E. coli de, RNA polimeraz, konsensüs sekans içeren promotorlara etkili bir şekilde bağlanır. Böyle promotorlara güçlü promotorlar denir ve genetik mühendisliği uygulamalarında sıklıkla kullanılır. E. coli de çoğu genin transkripsiyonu için σ70 gerekli olsada, farklı konsensüs bölgelerini tanıyan birçok alternatif sigma faktörü bulunur. Bu sigma faktörleri özel koşullarda gerekli olan bazı gen grupları için spesifiktir ve gen ifadesinin düzenlenmesinde öneme sahiptir.
Transkripsiyonun Sonlandırılması İntrinsik (esas) Sonlandırıcılar Protein sentezinin güvenilirliği bakımından, transkripsiyonun başlangıcı gibi terminasyon (sonlanma)'da oldukça önemlidir. RNA sentezinin terminasyonu DNA üzerindeki özel baz dizilerinde meydana gelir. Bacteria'da, çoğunlukla merkez kısmı tekrar etmeyen, ters yönlü bir tekrar dizinden oluşan terminasyon dizisi vardır. Böyle bir DNA dizisi transkriptlendiği zaman, RNA zincir içi baz eşleşmesiyle bir gövde-halka yapı oluşturarak transkripsiyonun sonlanmasını sağlar.
Transkripsiyonun Sonlandırılması Rho Bağımlı Terminasyon Escherichia coli'deki transkripsiyonun sonlanmasını sağlayan bir diğer mekanizma ise, Rho adında bir proteine ihtiyaç duyar. Rho, RNA polimeraz veya DNA'ya bağlanmamakla birlikte, RNA'ya sıkıca bağlanıp RNA polimeraz-dna kompleksi boyunca aşağı doğru hareket eder. RNA polimeraz, Rho bağımlı transkripsiyon yerinde duraksadığı zaman Rho ve RNA polimerazın DNA'dan salınmasına sebep olur. Böylece transkripsiyonu sonlandırır.
Transkripsiyon Ünitesi Kromozomlar, DNA'nın RNA'ya transkriplendiği, transkripsiyonun başladığı ve sonlandığı transkripsiyon üniteleri adında bölgeler şeklinde organize olurlar. Bazı transkripsiyon üniteleri, sadece tek bir gen içerirken bazı transkripsiyon üniteleri birden fazla gen içerirler ve bu genler, birlikte transkriptlenen genler adını alır ve tek bir RNA molekülü oluştururlar.
Ribozomal ve Transfer RNA'lar ve RNA'nın Ömrü Genlerin çoğu fonksiyonel protein kodlar, fakat bazı genler translasyona uğramayan ribozomal RNA (rrna) ve transfer RNA (trna) gibi RNA'ları kodlar. Bir organizmada çok sayıda farklı tip rrna vardır. Prokaryotlar üç tip rrna ya sahiptir: 16S rrna, 23S rrna ve 5SrRNA. mrna lar kısa ömürlü rrna ve trna lar kararlı
Polisistronik mrna ve Operon Prokaryotik genetik elementlerde, birbirleriyle alakalı enzimleri kodlayan genler genellikle bir arada bulunurlar. Bu durumda RNA polimeraz, zincir üzerinde aşağı doğru ilerleyerek tüm gen serisini tek ve uzun bir mrna şeklinde transkripler. Böylesi birlikte transkriplenen gen gruplarını kodlayan bir mrna, polisistronik mrna olarak isimlendirilir. Bir biri ile ilişkili olan ve birlikte transkribe olarak bir polisistronik mrna oluşturan genler operon olarak bilinmektedir.
un Düzenlenmesi Regülasyona Genel Bakış Hücrelerde iki ana regülasyon seviyesi vardır. Biri, önceden var olan enzimlerin aktivitelerini diğeri ise bir enzimin miktarını kontrol eder. Bir enzimin aktivitesinin regülasyonu sadece protein sentezlendikten sonra (posttranslasyonel olarak) olur. Diğer yandan, sentezlenen enzimin miktarını düzenleme transkripsiyon veya translasyon seviyesinde olabilir.
un Düzenlenmesi Transkripsiyonun Negatif Kontrolü: Represyon ve İndüksiyon Transkripsiyon biyolojik bilgi akışındaki ilk basamak olduğundan gen ifadesini bu noktada etkilemek nispeten kolaydır. Bakterilerde enzim sentezlerinin kontrolü için çok sayıda farklı mekanizmaların olduğu ve hepsinin de organizmanın içerisinde yaşadığı ortamdan, özellikle küçük özel moleküllerin var olup olmamasından önemli ölçüde etkilendiği bilinmektedir. Genellikle özel bir ürünün sentezini katalizleyen enzimler, eğer besiyeri içerisinde bu ürün yeterli miktarlarda mevcutsa sentezlenmez. Örneğin, arjinin amino asidinin oluşumunda rol alan enzimler sadece arjinin kültür besiyerinde olmadığı zaman sentezlenir. Arjininin fazla miktarda olması bu enzimlerin sentezini baskılar. Bu olay enzim represyonu (baskılama) olarak isimlendirilir.
un Düzenlenmesi Transkripsiyonun Negatif Kontrolü: Represyon ve İndüksiyon Enzim indüksiyonu, anlayış olarak enzim represyonunun tersidir. Enzim indüksiyonunda, enzim sadece substrat ortamda olduğu zaman üretilir. Enzim represyonu tipik olarak biyosentetik (anabolik) enzimlerde etkili olur. Bunun aksine enzim indüksiyonu genellikle katabolik enzimlerde olur. Buna örnek olarak Escherichia coli tarafından laktoz şekerinin karbon ve enerji kaynağı olarak kullanılmasını verebiliriz. Enzim indüksiyonunu başlatan madde indüsür (indükleyici) ve enzim sentezini engelleyen madde ise korepresör olarak isimlendirilir. Daima küçük moleküller olan bu maddeler hep birlikte efektörler olarak adlandırılırlar.
un Düzenlenmesi Represyon ve İndüksiyon Mekanizması
un Düzenlenmesi Transkripsiyonun Pozitif Kontrolü Negatif konrolde, kontrol elementlerinden represör proteinler mrna sentezinin baskılanmasını sağlar. Öte yandan transkripsiyonun pozitif kontrolünde, düzenleyici protein RNA polimerazın bağlanmasını aktifleştirdiğinden pozitif olarak ifade edilir. Escherichia coli'de disakkarit şekerlerden maltozun katabolizması pozitif regülasyona güzel bir örnektir. Maltoz-parçalayan enzimlerin sentezinin kontrolü lac operonunda olduğu gibi negatif kontrolün aksine pozitif kontrol altındadır. Transkripsiyon bir aktivatör proteinin aktivitesine ihtiyaç duyar.
un Düzenlenmesi Global Kontrol (lac Operonu) Laktoz Glikoz Enzim Sentezi - - - + - + - + - + + -
Kaynaklar Madigan, M. T., Martinko, J. M., Bender, K. S., Buckley, D. H., & Stahl, D. A. (2015). Brock biology of microorganisms (Fourteenth edition.). Boston: Pearson. Madigan, M. T., Martinko, J. M., & Brock, T. D. (2006). Brock biology of microorganisms (11th ed.). Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall. Campbell, N. A., & Reece, J. B. (2002). Biology (6th ed.). San Francisco: Benjamin Cummings. Alberts, B., et al. (2015). Molecular biology of the cell. New York, NY: Garland Science, Taylor and Francis Group.