ders-53-56-genden

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.
Genetik kodun çözülmesi
• 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 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.
Genetik mesaj kodon kodon
tercüme edilir.
Ör: AAA antikodonuna
sahip bir tRNA, bir
ucunda hidrojen bağları
ile kodona bağlanırken,
diğer ucundan da UUU
kodonunun karşılığı olan
fenilalanin aminoasitini
taşıyacaktır.
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
Büyük Altbirim
rRNA’lar
Bakteri (70S)
Ökaryot (80S)
Mitokondri (55S)
50S
60S
39S
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
16S (1542 baz)
18S (1900 baz)
12S (950 baz)
20
~33
29
rRNA
Proteinler
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 βglobin 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





