7. PROKARYOTLARDA GEN İFADESİNİN DÜZENLENMESİ
Başlıklar 1. Prokaryotlar gen ifadesini çevre koşullarına göre düzenler 2. E. Coli de laktoz metabolizması 3. Lac operonu negatif kontrol 4. CAP pozitif kontrol 5. Triptofan negatif kontrol
1. Gen ifadesi nasıl kontrol edilir? Genler açılıp kapanabilir = protein üretimi sürekli değildir İlk kanıtlar E. Coli: Genomun şifrelediği yaklaşık 4000 kadar polipeptidin derişimlerinin oldukça değişkenlik gösterdiğini ortaya çıkarmıştır. 3
1. Gen ifadesi nasıl kontrol edilir? Prokaryot gen ürünlerinin büyük bir kısmı hücrede sürekli olarak bazal seviyede (birkaç kopya) bulunmasına rağmen, gerektiğinde miktarları olağanüstü artabilir. Genetik bilginin ifadesini kontrol eden temel kontrol mekanizmaları bulunmalıdır. 4
2. Prokaryotlar çevre koşullarına cevap veren etkin genetik mekanizmalara sahiptir Bakteriler yalnızca çevre koşullarındaki değişikliklere cevap vermezler. Aynı zamanda, çeşitli normal hücresel olaylardaki (replikasyon, rekombinasyon, DNA hasarı tamiri) ve hücre bölünmesi ve gelişimindeki gen aktivitelerini de düzenlerler 5
2. Prokaryotlar çevre koşullarına cevap veren etkin genetik mekanizmalara sahiptir 1900 lerde mayanın, laktozlu üreme ortamında laktoz metabolizmasına özgül enzimleri üretmeye başladığı saptanmıştır. Ortamda laktoz bulunmadığında bu enzimler sentezlenmemektedir. Bu tip enzimlere, uyum sağlayan (adaptif) veya fakültatif enzimler de denir. 6
2. Prokaryotlar çevre koşullarına cevap veren etkin genetik mekanizmalara sahiptir Hücrede, çevrenin kimyasal koşullarına bakılmaksızın sürekli olarak sentezlenen enzimler ise temel (konstitütif) enzimler olarak adlandırılır. Diğer bir tip düzenlenme ise belirli bir molekülün varlığı ile genetik ifadenin baskılanmasıdır. Örneğin, bakteri hücreleri triptofan amino asitini sentezleyebilir. Eğer triptofan dışardan besin olarak eklenirse hücreler triptofan üretimini durdurur. Triptofanın ifadesini yöneten sistem baskılanabilir sistem olarak tanımlanır. 7
2. Prokaryotlar çevre koşullarına cevap veren etkin genetik mekanizmalara sahiptir Uyarılabilen ya da baskılanabilen düzenlenme, negatif ya da pozitif kontrol altında bulunabilir. Negatif kontrol: Bir çeşit düzenleyici molekül tarafından engellenmediği sürece genetik ifade gerçekleşebilir. Pozitif kontrol: Sadece düzenleyici molekül, RNA sentezini doğrudan uyarırsa transkripsiyon gerçekleşir. 8
3. Laktoz metabolizması Laktozun varlığında, laktoz metabolizmasında yer alan enzimlerin miktarı hızla artmaktadır. Bu durumda, laktoz metabolizmasından sorumlu enzimler uyarılabilen enzimlerdir. Burada laktoz, uyarıcı olarak yer almaktadır. 9
3.1 cis-etkili (aynı-etkili) bölge Prokaryotlarda, birbiri ile ilişkili işlevleri olan enzimleri kodlayan genler (örneğin, laktoz metabolizması ile ilgili genler) kümeler halinde bulunur. Tek bir düzenleyici birimin genetik kontrolü altındadır. 10
3.1 cis-etkili bölge Bu düzenleyici bölge, genellikle kontrol ettiği gen kümesinin yukarı (öncesinde) kısmındadır. Bu bölge cis-etkili (aynı DNA zinciri üzerinde bulunan) bölge olarak tanımlanır. Düzenlenme, transkripsiyonu kontrol eden moleküllerin buraya bağlanmasıyla olur. Bağlanan moleküller ise trans-etkili elementler olarak adlandırılır. Bu elementlerin bağlanması negatif veya pozitif etki yapabilir 11
3.2 Lac operonu: Uyarılabilen operon Laktoz metabolizması, kümedeki üç yapısal genin işlevine bağlıdır. Üç yapısal gen ve bitişiğindeki düzenleyici bölge laktoz ya da lac operonunu oluşturmaktadır. 12
3.2 Lac operonu Bu üç gen tek bir birim halinde transkripsiyona uğrayarak bir polisistronik mrna oluştururlar Üç gen ürününün translasyonu tek bir mrna dan yapıldığı için, düzenlenmeleri de birlikte yapılmaktadır. 13
3.2 Lac operonu Laktoz, yapısal genleri nasıl aktifleştirmektedir? 14
3.3 Operon modeli: Negatif kontrol Laktoz yokluğunda, Lac I geni bir baskılayıcı molekül kodlar bu baskılayıcı molekül operatör bölgeye bağlanır ve RNA polimerazın ilerlemesini engeller Laktoz yok Baskılanır Baskılayıcı operatöre bağlanır ve transkripsiyonu engeller Transkripsiyon olmaz Enzimler üretilmez 15
3.3 Operon modeli: Negatif kontrol Ortamda laktoz bulunduğunda, laktoz bu baskılayıcı moleküle bağlanır ve yapısında değişikliğe yol açar baskılayıcı, operatör DNA ya bağlanamaz. RNA polimeraz yapısal genlerin transkripsiyonunu gerçekleştirir. Laktoz metabolizması için gerekli olan enzimler sentezlenir. (Kaynak: Genetik Kavramlar, Laktoz var Uyarılır Baskılayıcı operatöre bağlanamaz ve transkripsiyonu olur Transkripsiyon Operatöre bağlanma bölgesi değişir Translasyon 16 Enzimler üretilir
3.3 Operon modeli: Negatif kontrol Transkripsiyon, yalnızca, baskılayıcının operatör bölgeye bağlanamadığı zaman gerçekleştiği için, düzenle negatif kontrol altında olduğu söylenir. Laktoz olmadığında, laktozu metabolize edecek enzimlere gerek yoktur. Dolayısıyla sentezleri baskılanır. Laktozun tümü metabolize edildiğinde ortamda baskılayıcıya bağlanacak laktoz kalmaz. Baskılayıcı serbest kalır ve transkripsiyon tekrar baskılanır. 17
https://www.youtube.com/watch?v=avuj0q4mka8
3.4 Lac operonunun pozitif kontrolü: Katabolit aktivatör protein (CAP) β-galaktozidaz ın rolü; laktozu, glukoz ve galaktoz bileşenlerine parçalamaktır. Daha sonra galaktoz, hücrede kullanılmak üzere glukoza dönüştürülür. Hücre kendisini bol miktarda hem laktoz hem de glukoz içeren bir ortamda bulursa ne olur? 19
3.4 Lac operonunun pozitif kontrolü: Katabolit aktivatör protein (CAP) Hücrenin β- galaktozidaz üretmek için laktoz tarafından uyarılması enerjinin verimli kullanılması bakımından uygun değildir. Çünkü hücrenin ihtiyacı olan glukoz zaten ortamdadır. Böyle bir koşulda, katabolit-aktivatör protein (CAP) olarak adlandırılan başka bir molekül işe karışmaktadır. CAP, ortamda glukoz varken lac operonunun ifadesini baskılar. (Kaynak: Genetik Kavramlar, Katabolit baskılama olarak adlandırılan bu baskılanma, laktoz varlığında bile sadece glukozun kullanılacağını göstermektedir. 20
3.4.1 CAP ın düzenlemedeki rolü Ortamda glukoz yokken ve laktoz varken, CAP molekülü CAP bölgesine bağlanarak RNA polimerazın promotora bağlanmasını, Dolayısıyla da transkripsiyonu kolaylaştırmakta ve pozitif kontrol etkisi göstermektedir. 21
3.4.1 CAP ın düzenlemedeki rolü Ortamda hem glukoz hem laktoz olduğunda glukoz, camp seviyesini düşürür. Bu durumda CAP, CAP-cAMP kompleksini oluşturamaz. Dolayısıyla RNA polimeraz verim şekilde transkripsiyon yapamaz 22
23
4. Triptofan (trp) operonu: Baskılanabilen operon (Kaynak: Genetik Kavramlar, E. coli, amino asitlerin biyosentezi için gerekli olan enzimleri ve diğer temel makromolekülleri üretebilmektedir. Üreme ortamında yeterli miktarda triptofan varken, triptofan sentezinden sorumlu enzimler sentezlenmez Triptofan operonu. 24
4.1 Baskılama mekanizması Normalde inaktif olan baskılayıcı tek başına operonun operatör bölgesine bağlanamaz. Ortamda triptofan bulunuyorsa; Triptofan baskılayıcıya bağlanır. Oluşan kompleks operatöre bağlanır. Transkripsiyonu baskılar. 25
4.1 Baskılama mekanizması Böylece, triptofan ortamda bulunuyorsa, sistem baskılanır. Triptofan sentezinden sorumlu olan enzimler üretilmez. 26
4.1 Baskılama mekanizması Baskılayıcı kompleksi transkripsiyonu engellediğinden, bu baskılanabilen sistem negatif kontrol altındadır. 27
https://www.youtube.com/watch?v=vvlpnu46xy4
5. Attenüasyon (Kaynak: Genetik Kavramlar, Yüksek triptofan derişiminde, transkripsiyon yine de başlar fakat 140 nükleotid sentezlendikten mrna dizisi sonlanır. Bu işlem gen ifadesinin azaldığığının göstergesi olarak attenuasyon (güç kaybı, zayıflaması) olarak adlandırılmıştır. 29
5. Attenüasyon (Kaynak: Genetik Kavramlar, Transkripsiyona uğrayan ilk DNA dizisi, saç tokaları adı verilen, karşılıklı iki özel ilmik şeklinde katlanma potansiyeline sahip bir mrna nın ortaya çıkmasını sağlar. Fazla miktarda triptofan varlığında oluşan saç tokası sonlandırıcı (terminatör) yapı gibi davranır. 30
5. Attenüasyon (Kaynak: Genetik Kavramlar, Diğer taraftan, triptofan azsa, sonlandırıcı olmayan (antiterminatör) saç tokası oluşturur. 31
Prof. Dr. Bektaş TEPE (Kaynak: Genetik Kavramlar, 32
5. Attenüasyon Attenuasyon, E. coli de, amino asit biyosentezi için gerekli olan enzimleri kontrol eden diğer bakteriyel operonlar için de geçerli olan ortak bir mekanizmadır. Triptofandan başka, threonin, histidin, lösin ve fenilalanin metabolizması ile ilgili operonların lider dizilerinde de attenuatörlerin varlığı gösterilmiştir. 33
Attenüasyon, operonun kontrolünde önemlidir Attenuasyon zaman ve yer açısından prokaryotlara özgüdür. Ökaryotlarda transkripsiyon çekirdekte, translasyon ise sitoplazmada meydana geldiği için böyle bir mekanizma olanaksızdır. 34