Genden proteine Genler, transkripsiyon ve translasyon yolu ile proteinleri belirler

Transkripsiyon, DNA yönetiminde RNA sentezidir

Ökaryotik hücreler, transkripsiyondan sonra RNA’yı değişikliğe uğratırlar

Translasyon, RNA yönetiminde polipeptid sentezidir

Bir ya da daha fazla sayıda nükleotid mutasyonu , protein yapısını ve işlevini etkileyebilir

Gen kavramı evrenseldir (Genlerin ifade edilişleri canlı domainleri arasında farklılık göstermesine karşın)

Genomik Yapı • 3 milyar baz çifti (3 Gbç), Yaklaşık %50

tekrarlanan bölge

• Protein kodlayan yalnız %3 bölge, ~25.000 gen var

• Proteinler , genotip ve fenotip arasındaki bağlantıdır.

• Gen, son işlevsel ürünü olan bir polipeptidi yada bir RNA molekülünü üretmek üzere ifade edilebilen bir DNA bölgesidir.

• Genin büyüklüğü 1-200.000 kilobaz’dır.

• Gen ifadesi (gen ekspresyonu), DNA’nın proteinlerin sentezini (ya da bazı durumlarda sadece RNA’ların) yönettiği süreçtir.

Transkripsiyon: genel bakış • DNA yönetimi altında gerçekleşen RNA sentezidir.

• DNA replikasyonu sırasında, DNA zincirlerinden biri, yeni tamamlayıcı zincir sentezinde kalıp olarak işlev gördüğü gibi, bir RNA nükleotid dizisinin oluşumunda da (transkripsiyon) kalıp olarak iş görür.

• Üretilen RNA, genlerdeki protein yapısı ile ilgili bilgilerin güvenilir bir kopyasıdır.

• Bu tip RNA molekülü, genetik bilgiyi DNA’dan ribozomlara taşıdığı için messenger RNA (mRNA) olarak adlandırılır.

Translasyon: genel bakış

• mRNA yönetimi altında gerçekleşen polipeptid sentezidir.

• Bu evrede, mRNA molekülündeki baz dizisi, polipeptidin aminoasit dizisine tercüme edilir.

• Bu tercümenin yapıldığı yerler ribozomlardır.

• Ribozomlar, aminoasitlerin sırası ile birbirlerine bağlanarak polipeptid zinciri haline gelmesini kolaylaştıran kompleks organellerdir.

• Transkripsiyon ve translasyonun temel mekaniği prokaryot ve ökaryotlarda benzerdir.

• Ancak hücredeki genetik bilginin akışında önemli bir farklılık vardır.

• Bakterilerin çekirdeği olmadığından, DNA’ları ribozomlardan ve protein sentezine katılan diğer donanımdan ayrılmamıştır.

• Ökaryotik bir hücrede, çekirdek zarı bölge ve zemin olarak transkripsiyonu translasyondan ayırır.

• Transkripsiyon çekirdekte gerçekleşir ve mRNA, translasyonun olduğu sitoplazmaya aktarılır.

• Hücre, bir geni, aminoasit dizisine doğrudan tercüme edemez. Ana evre transkripsiyondur.

• Bu evrede her bir gen için iki DNA zincirinden sadece birisi kopyalanır.

• Bu zincir, RNA transkriptindeki nükleotit dizisinin sırasını belirlemede kalıp olarak kullanıldığı için kalıp zincir olarak adlandırılır.

• Bir RNA molekülü, kendi DNA kalıbının tamamlayıcısıdır (komplementer).

• Baz eşleşmeleri, RNA’da A karşısına T yerine U gelmesi dışında, DNA replikasyonu sırasında görülen baz eşleşmelerine benzerdir.

300 nükleotit uzunluğundaki bir mRNA zinciri 100 aminoasit uzunluğunda bir polipeptiti kodlar.

• 1961 yılında Nirenberg ve grubu, yalnızca urasil (U) nükleotitlerinden oluşmuş yapay bir mRNA molekülünü, protein sentezi için gerekli tüm elemanların bulunduğu bir test tüpüne ilave etmiştir.

• Reaksiyon sonucunda deney tüpünde yalnızca fenilalanin içeren uzun bir protein zinciri meydana gelmiştir. Bu şekilde UUU kodonunun fenilalanini kodladığı tespit edilmiştir.

• Daha sonra AAA, GGG ve CCC kodonlarının tanımladığı aminoasitler de aynı yöntemle bulunmuştur.

• AUA ve CGA gibi heterojen üçlülerin çözülebilmesi daha ayrıntılı tekniklere ihtiyaç duymasına rağmen 64 kodonun tümü 1960’lı yılların ortalarında çözülmüştür.

Genetik kodun çözülmesi

Genetik kod evrenseldir ! • Genetik kod, en basit yapılı bakterilerden en

kompleks yapılı bitki ve hayvanlara kadar tüm canlılar tarafından paylaşılır.

• Örneğin; RNA’daki CCG kodonu, tüm canlılarda prolin aminoasitini kodlar.

• Genler, bir canlı türünden diğerine aktarıldıklarında o canlı türünde de transkripsiyon ve translasyon geçirebilir.

• Önemli tıbbi kullanımı olan bazı insan proteinlerinin sentezinden sorumlu insan genlerinin bakterilerde ifadesi de mümkündür.

Genetik kodun evrenselliği evrimsel açıdan önemlidir!

• Genetik kodun evrensel oluşu, tüm canlılar tarafından paylaşılan bu dilin, yaşamın çok erken evrelerinde ortaya çıkmış olduğu sonucunu doğurur.

• Bu dil, en azından, günümüzdeki tüm canlıların ortak atalarında bulunacak kadar yeterince önce ortaya çıkmış olmalıdır.

• Paylaşılan genetik sözlük, dünya üzerindeki tüm yaşamı birbirine bağlayan akrabalığı hatırlatmaktadır.

Bakteriler tek tip RNA polimeraza sahiptir.

Bu enzim mRNA sentezinin yanı sıra diğer RNA tiplerinin de sentezinde görevlidir.

Ökaryotlar ise RNA polimerazın; I, II ve III olarak adlandırılmış üç tipine sahiptir.

mRNA sentezinde bunlardan RNA polimeraz II kullanılır.

Terminatör

DNA Transkripsiyon birimleri

mRNA birimleri

RNA polimeraz, DNA üzerinde ilerlerken ikili sarmalı gevşeterek devam eder.

Enzim, bağlı bulunduğu anda yaklaşık 10-20 baz uzunluğundaki DNA’nın RNA nükleotitleri ile eş yapmasına neden olur.

Enzim, ikili sarmal boyunca ilerleyerek yapılmakta olan RNA molekülünün 3’- ucuna nükleotitleri ekler.

Ökaryotlarda transkripsiyon, saniyede yaklaşık 60 nükleotit hızında ilerler.

mRNA uçlarının değiştirilmesi • Transkripsiyonda ilk sentezlenen uç olan 5ʼ- ucuna, guanin

(G) nükleotidinin değişik bir formu olan bir başlık eklenir. Bu başlık, mRNA’yı hidrolitik enzimlerin etkisinden korur.

• mRNA sitoplazmaya ulaştıktan sonra, 5ʼ- başlığı, ribozomlar için “buraya bağlan” sinyali olarak iş görür.

• mRNAʼnın 3ʼ- ucu da çekirdekte değişikliğe uğratılır.

• Bir enzim, 3’- ucuna 50-250 arasında Adenin nükleotidinden oluşan bir Poli-A kuyruğu takar.

• Bu kuyruk, RNAʼnın parçalanmasını engeller ve muhtemelen ribozomların bağlanmasına yardımcı olur.

• mRNA’nın çekirdekten taşınmasını kolaylaştırdığı düşünülür.

Kesintili genler ve RNA splicing ! • Başlangıçta sentezlenen RNA molekülünün büyük

bir bölümü uzaklaştırılır.

• Bir çeşit “kes-yapıştır” işlemi olan bu olay “RNA splicing” olarak adlandırılır.

• Transkripsiyona kalıp olan DNA biriminin ortalama uzunluğu yaklaşık 8.000 nükleotittir. Dolayısıyla bundan sentezlenen primer RNA’nın da uzunluğu aynı olacaktır.

• Ancak bu dizinin yalnızca 1.200 nükleotidlik bir kısmı, ortalama 400 aminoasit uzunluğunda bir proteini kodlamada kullanılır.

• Çoğu ökaryotik gen ve RNA transkriptleri kodlama yapmayan uzun nükleotit zincirlerine sahiptir.

• Kodlama yapan bölgeler arasına sıkışmış kodlama yapmayan nükleik asit parçalarına intron adı verilir.

• Diğer bölgeler ise aminoasitlere tercüme edilmekte olup ekzon olarak adlandırılır.

Kes-yapıştır işlemi ile ilgili sinyaller, intronların sonlarında bulunan kısa nükleotit dizileridir. Küçük nüklear ribonükleoproteinler (snRNP), bu kısa nükleotit dizilerini tanırlar. snRNP’ler (150 nükleotit içerir) , hücre çekirdeğinde yerleşmiş olup, RNA ve protein moleküllerinden oluşmuş yapılardır.

Riboz(i)mler • Bazı durumlarda kes-yapıştır işlemi, protein ve

ekstra RNA molekülü bulunmadan gerçekleşir.

• İntron RNA, kendisini kesip çıkarma işlemini katalizler.

• Bir hücreli bir canlı olan Tetrahymena’da rRNA’nın üretilmesinde, kendi kendine kes-yapıştır işleminin gerçekleştiği görülür.

• Ribozimler, enzimler gibi katalizleyici olarak işlev görür.

Alternatif RNA splicing ! • Kesintili (split) genler, tek bir genden birden fazla

tipte polipeptit kodlayabilmektedir.

• Alternatif RNA splicing olarak bilinen bu olayda, RNA’nın işlenmesi sırasında ekzonlar, farklı şekillerde bir araya getirilirler.

• İnsan Genom Projesiʼnin ilk sonuçları, insanların az sayıda genle yaşamını sürdürebilmesinin nedeni olarak bu mekanizmayı ileri sürmektedir.

Domain !!!

• Proteinlerin çoğu, domain adı verilen farklı yapısal ve işlevsel bölgelerden oluşurlar.

• Örneğin, enzimatik proteinlerin bir domaini aktif bölgeyi içerirken, diğer domaini proteinin hücre zarına tutunmasını sağlar.

• Pek çok durumda farklı ekzonlar, proteinin farklı domainlerini kodlar.

İntronların evrimsel önemi

• İntronlar, genler arasında potansiyel yarara sahip olan krossing-overʼin gerçekleşme olasılığını artırır.

• Basit olarak, krossing-over gerçekleşebilecek daha fazla bölge sağlayarak bir genin iki alleli arasındaki rekombinasyon için fırsatı artırır.

• Aynı zamanda, homolog olmayan genler arasında da ekzonların değişimi gerçekleşebilir.

• Ekzonların karıştırılmasının her türü, yeni işlev kombinasyonlara sahip yeni proteinlerin oluşmasına yol açabilir.

Ör: AAA antikodonuna sahip bir tRNA, bir ucunda hidrojen bağları ile kodona bağlanırken, diğer ucundan da UUU kodonunun karşılığı olan fenilalanin aminoasitini taşıyacaktır.

Genetik mesaj kodon kodon tercüme edilir.

tRNA’nın yapısı

• Eğer bir aminoasiti tanımlayan her bir mRNA kodonuna karşılık bir tip tRNA olsaydı 61 adet tRNA tipi olacaktı.

• Ancak gerçekte sayı daha azdır (yaklaşık 45).

• Bazı tRNA’lar, iki veya daha fazla sayıda farklı kodonu tanıyabilen antikodonlara sahip olduğu için bu sayı yeterli olacaktır.

• Bir kodonun üçüncü bazı ile tRNA antikodonunda buna karşılık gelen baz arasındaki eşleşme kuralları çok katı değildir.

• Örneğin, bir tRNA antikodonundaki Inozin (Adeninin değişken bir formu) bazı mRNA kodonunun üçüncü pozisyonundaki A, C veya U’ den herhangi birisi ile eş oluşturabilir.

• Baz eşleşme kurallarındaki bu esnekliğe Wooble adı verilir.

Ribozomlar • Ribozomlar, protein sentezi sırasında tRNA

antikodonlarının mRNA kodonları ile özgül çift oluşturmasını kolaylaştırırlar.

• Büyük ve küçük alt birim olarak adlandırılan iki alt birimden oluşmuştur.

• Her bir alt birim, proteinlerden ve ribozomal RNA (rRNA) adı verilen moleküllerden yapılmıştır.

• Ökaryotlarda alt birimler çekirdekte yapılır.

• Kromozomal DNA üzerindeki rRNA genleri transkribe edilir, oluşan RNA işlenir ve sitoplazmadan taşınan proteinlerle birleştirilir.

• Yapımı tamamlanan alt birimler çekirdek porlarından sitoplazmaya aktarılır.

• Alt birimler, yalnızca bir mRNA’ya bağlandıklarında işlevsel bir ribozomu oluşturmak üzere bir araya gelirler.

• Bir ribozom kütlesinin yaklaşık 2/3’ü rRNA’dır.

• Pek çok hücre binlerce ribozoma sahip olduğundan rRNA, RNA tipleri arasında en fazla bulunandır.

• Ökaryotik organizmaların ribozomları, prokaryotlara göre biraz daha büyüktür ve moleküler kompozisyon açısından da farklılıklara sahiptir.

• Bu farklılıklar tıbbi açıdan önemlidir.

• Bazı antibiyotikler, ökaryotik ribozomların protein sentezleme yeteneğine etki etmeden prokaryotik ribozomu etkisiz hale getirir. Tetrasiklin ve streptomisin’in de aralarında bulunduğu ilaçlar bunlara örnek verilebilir.

Ribozomlar

Bakteri, Ökaryot ve Mitokondri Ribozomlarının karşılaştırması

Bakteri (70S) Ökaryot (80S) Mitokondri (55S)

Büyük Altbirim 50S 60S 39S

rRNA’lar

23S (2904 baz) 28S (4700 baz) 16S (1560 baz)

5S (120 baz) 5S (120 baz)

5.8S (160 baz)

Proteinler 33 ~49 48

Küçük alt birim 30S 40S 28S

rRNA 16S (1542 baz) 18S (1900 baz) 12S (950 baz)

Proteinler 20 ~33 29

mRNA yıkımının düzenlenmesi

• Sitoplazmadaki mRNA moleküllerinin ömür uzunluğu ile protein sentez tarzı arasında yakın ilişki vardır.

• Prokaryotik mRNA’lar çok kısa ömürlüdür ve yalnızca birkaç dakika sonra enzimler tarafından yıkılırlar.

• Ancak ökaryotlarda sitoplazmik mRNA’nın ömrü saatler, günler hatta haftalar boyu devam edebilir.

• Bunun en tipik örneğine kırmızı kan hücrelerinde rastlanır.

• Hemoglobin polipeptitlerini (α-globin ve β-globin) kodlayan mRNA’ların ömrü oldukça uzundur.

• Alışılmadık şekilde kararlı olan bu mRNA’lar hücrede tekrar tekrar tercüme edilirler.

mRNA’nın ömür uzunluğuna etki eden diğer faktörler

• Poli A kuyruğunun enzimatik olarak kısaltılmasıyla mRNA yıkımının hızlandığı tespit edilmiştir.

• mRNA’nın 5’ ucundaki başlığın ortadan kaldırılması da nükleaz enzimlerini harekete geçirir ve molekül hızlı bir şekilde parçalanır.

Translasyonun kontrolü • Bazı özgül mRNA’ların translasyonunu engellemek

mümkündür.

• Bu mRNA’ların 5’ ucunda yer alan lider bölgedeki dizilere bağlanan düzenleyici proteinler, protein sentezini engelleyebilir.

• Bu düzenleyici proteinler, translasyon için gerekli bir başlama faktörünü fosforilleyerek inaktif hale getirir. Bu olay, tüm translasyonu inhibe eder.

• Bu mekanizma embriyonik gelişimde önemlidir.

• Çeşitli mRNA’lar yumurta içerisinde depolanır.

• Bu mRNA’lar döllenmeden sonra özgül evrelere kadar tercüme edilmez.

• Translasyon, başlama faktörlerinin ani aktivasyonu ile başlar. Sonuçta belli proteinlerin sentezinde ani artışlar meydana gelir.

Proteazom

• Hücre, kusurlu olmayan proteinlerin ömür uzunluğunu da belirleyecek mekanizmalara sahiptir.

• Hücre döngüsünün düzenlenmesinden sorumlu siklinler buna örnek olarak verilebilir.

• Hücre, yıkılacak belirli bir proteini işaretlemek için genellikle o proteine ubiquitin’i takar.

• Daha sonra proteazom adı verilen dev protein kompleksleri ubiquitin’i tanır ve etiketli proteini yıkar.

• Hücre döngüsü proteinlerini proteazomların yıkımına kapalı hale getiren mutasyonlar, kansere yol açabilmektedir.

Bir ubikitin-proteazom sisteminin yukardan görünümü

Mutasyon • Mutasyon, bir diğer adı ile değişinim; Herhangi bir

canlının genlerindeki DNA’nın kalıcı değişime uğramasına denir.

• Mutasyona uğrayan gen ise, mutant gendir. Vücut hücrelerinde gerçekleşen mutasyon gelecek nesillere aktarılmaz. Fakat eşey hücrelerinde mutasyon gerçekleşirse, bu genetik değişim sonraki nesillere de aktarılabilir.

• Mutasyonun başlıca sebepleri; doğal sebepler ve dış etkenler ör: sıcaklık, kimyasallar ve radyasyon (radyoaktif patlama vb.) gibi çevresel etkenlerdir.

• Mutasyonlar, organizmalar arasındaki genlerde bulunan çok büyük değişikliklerden sorumludurlar, çünkü mutasyonlar yeni genlerin ana kaynağıdır.

• Mutasyon organizmanın fenotipini olumsuz yönde etkilerse, bu mutant durum bir genetik bozukluk veya kalıtsal hastalık olarak adlandırılır.

• Ör: orak hücre anemisinin genetik temeli, hemoglobin proteininin alt birimlerinden olan β-globin polipeptidini kodlayan gende bir nükleotid çiftindeki mutasyondur.

Mutasyonlar-Sebepler

• Kendiliğinden olan mutasyonlar

• DNA replikasyonu, onarımı ya da rekombinasyonu sırasında ortaya çıkan hatalar ile;

• -nükleotit çifti değişiklikleri,

• -nükleotit eksilmesi ya da eklenmesi

• -daha uzun DNA dizilerinin etkilenmesi ile oluşan mutasyonlar

• Hem E. coli hem de ökaryotlarda replikasyon süresince 1010 nükleotitten bir tanesi mutasyona uğrar ve bu değişiklik bir sonraki hücre kuşağına aktarılır.

Mutasyonlar-Sebepler • Bazı fiziksel ve kimyasal ajanlar (mutajen), DNA ile çeşitli şekillerde

etkileşerek mutasyona sebep olur.

• Fiziksel ajanlar (mutajen)

• X-ışınlarının meyve sineklerinde genetik değişikliğe yol açtığı gösterilmiştir (1920, Müller).

• Yüksek enerjili radyasyon (ör: UV ışınları) DNA’da zararlı timin dimerleri oluşmasına neden olur.

• Kimyasal ajanlar (mutajen)

• Nükleotid analogları: Nükleotitlere benzeyen ve DNA replikasyonunda yapıya katılarak yanlış çift oluşturan maddeler,(ör: 5-bromourasil (5-BU) timin analogudur)

• DNA yapısına katılarak ikili sarmalın yapısını bozan ve replikasyonun doğru yapılmasını engelleyen mutajenler

• Bazların yapısını değiştirerek bazların eşleşme özelliklerini değiştiren mutajenler (ör: Etilmetansülfonat (EMS), Nitrozoguanidin (NG))

• Çoğu kanserojen (kansere neden olan kimyasal madde) mutajeniktir.

Bir yada daha fazla sayıda oluşan nükleotid mutasyonu, protein yapısını ve işlevini etkileyebilir