Transkripsiyon aşamasında düzenlenme (ders notu)

İ.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü
Moleküler Biyoloji ve Genetik
TRANSKRİPSİYON AŞAMASINDA
KROMATİN YAPININ DÜZENLENMESİ
Merve Yılmazer
2601120219
1.GİRİŞ
İnsan hücresi 46 kromozomda 6,4 milyar baz çifti uzunluğunda DNA
molekülü içermektedir. 6 milyar baz çifti yaklaşık olarak 2m uzunluğundadır.
2 m uzunluğundaki DNA molekülü 10 μm (1x10-5m) büyüklüğündeki
nükleusa sığabilmektedir. Bu da katlanmalarla meydana gelmektedir.
Metafaz kromozomlarındaki DNA başlangıçtaki boyuna göre 5000 kat
kısalmış haldedir. DNA bazı proteinler ve RNA ile kromatin adı verilen bir
kompleks oluşturmaktadır.
Kromatin DNA , histon proteinleri , histon olmayan proteinler ve RNA’dan
oluşur. Histon proteinler yüksek oranda arginin , lizin gibi bazik amino asit
bakımından zengin olmaları nedeniyle bazik proteinlerdir. Bu nedenle asit
özellik gösteren DNA’ya sıkı şekilde bağlıdır. İçerdikleri bazik amino asit
oranına göre beşe ayrılırlar: H1 , H2A , H2B , H3 ve H4. Histon olmayan
proteinler ise kromatine geçici olarak bağlanan DNA replikasyonu ve
transkripsiyonda görev alan enzimlerdir. Gen anlatımının düzenlenmesine
katılanlar sadece özel dokularda veya belirli farklılaşma evrelerinde bulunur.
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.Örneğin memeli dişilerinde X kromozomlarından
biri aktif halde ve ökromatik yapıdayken , diğeri inaktif haldedir.
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.
Epigenetik , DNA dizilerinde değişiklik olmadığı halde gen anlatımında
değişimlere neden olan ve mitoz veya mayoz bölünmeyle kalıtılabilen
fenotipe yansıyan değişimlerdir.
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. Aynı şekilde tek yumurta ikizleri aynı
genoma sahip olmasına rağmen ikizlerden birinde şizofreni veya başka bir
hastalık görülürken diğerinde görülmemektedir.
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
2. TRANSKRİPSİYON AŞAMASINDA KROMATİN YAPININ
DÜZENLENMESİ
Transkripsiyon aşamasında genlerin anlatım yapabilmeleri için kromotin
yapı, enzimler tarafından okunabilecek şekilde daha az yoğun halde
(ökromatin) bulunmalıdır.
Yüksek derecede paketlenmiş haldeki DNA molekülünde nükleozom yapısına
regülatör proteinler , genel transkripsiyon faktörleri ve RNA polimeraz
ulaşamamaktadır.Nükeleozom yapısı , DNA molekülünde meydana gelen
değişimler ve bazı protein komplekslerin yardımıyla nükleozom yapısında
transkripsiyonun meydana gelebilmesi için çeşitli değişimler meydana
gelmektedir. Bu değişimler DNA metilasyonları , histon modifikasyonları ve
nükleozom yapısında değişim meydana getiren bazı protein kompleksleriyle
gerçekleşir.
2.1. DNA Metilasyonu
CpG adalarının , anlatımı yapılan genlerin 5’ bölgesinde bulunduğu
gözlenmiştir ve insan promotörlarinin % 60’ından fazlası CpG adalarını
içermektedir.
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. Sitozin metilasyonu aktif olan geni inaktif olan
genden ayırt etmede kullanılan önemli bir mekanizmadır.
Bilinen beş farklı insan DNA metiltransferazı bulunmaktadır : DNMT1 ,
DNMT2 , DNMT3a , DNMT3b ve DNMT3L.
DNMT1 yarı metillenmiş DNA bölgelerine bağlanırken , DNMT3a ve DNMT3b
de novo metiltransferazlar olarak adlandırılır ve yarı metilenmiş veya hiç
metillenmemiş bölgelere bağlanarak metilasyonu gerçekleştirir.
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.
2.2. Histon Modifikasyonları
DNA’nın paketlenmesinde veya yapının anlatıma açık olmasında etkili olan
nükleozom yapısını oluşturan histon proteinlerinin bazik amino terminal
uçları nükleozomdan çıkıntılar yapmaktadır. Bu uçlar çeşitli modifikasyonlara
uğrar. Histon asetiltransferazlar tarafından asetillenme , histon deasetilazlar
tarafından deasetillenme ve histon metil transferazlar tarafından
metillenme gibi çeşitli değişimler görülür. Histonlar üzerindeki bu değişimler
kromatin yapısının gevşek veya sıkı olmasını belirleyerek gen anlatımında
düzenleyici rol oynar.
2.2.1. 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 uçlarında lizin rezidülerini asetillemektedir. Asetillenme ve
kromatin yapının anlatım yapabilir forma dönüşmesi arasında korelasyon
görülmektedir. Transkripsiyonda rol alan faktörler asetilasyon bölgesinde
promotörlere kolaylıkla ulaşabilmektedir. Histon deasetilasyonu ise histon
deasetilaz (HDAC) tarafından gerçekleştirilmektedir. Deasetilasyon kromatin
yapının yoğunlaşmasına neden olmaktadır , böylece gen anlatımı
engellenmiş olur.
2.2.2. Metilasyon
Histon metiltransferaz enzimi aracılığıyla histon proteinlerine metil
gruplarının ilavesi gerçekleşmektedir. Metilasyon hem lizin hem de arginin
rezidülerinde meydana gelmektedir. Lizin rezidüsüne bir , iki veya üç tane
metil grubu ilave olabilir. Metil grubu artışı elektrik yükünde değişime neden
olmamaktadır. 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. Örneğin 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. Lizin spesifik demetilaz 1 (LSD1) enzimi ile histonlarda
demetilasyon meydana gelmektedir.
2.2.3. Ubiquitinasyon
Genellikle poliubiquitin zincirleri proteozom tarafından yıkılacak olan
proteinlerin tanınmasını sağlayan hedef olarak kullanılmaktadır. Ancak tek
bir ubiquitin ilavesi yıkım için sinyal oluşturmak yerine proteinin
fonksiyonunu değiştirebilir. Bir konjuge enzim hedef proteinde lizin
rezidüsünün NH2 ucu ile ubiquitin arasında peptid bağı oluşumunu katalizler.
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.
2.2.4. Fosforilasyon
Histon proteinler spesifik bir kinaz tarafından fosforlandığında treonin veya
serin rezidüsüne bir veya daha fazla fosfat grubu eklenmektedir. Böylece
negatif yükle yüklenmiş olurlar. Bağlayıcı histon olan 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. H3
histonunun fosforilasyonu da spesifik genlerin aktivasyonuyla ilişkilidir.
Fosforilasyon çeşitli fosfatazlar tarafından düzenlenen dinamik bir süreçtir.
2.2.5. Sumoylasyon
Küçük ubiquitin benzeri değiştirici (Small ubiquitin-like modifier (SUMO))
ubiquitinlerle %20 benzerlik göstermektedir. SUMO birleşmesi ubiquitin
birleşmesiyle aynı enzimatik basamakları içermektedir. SUMO hedef
proteinin lizinlerindeki amino grubuna karboksil ucuyla bağlanan 97 amino
asitlik bir proteindir. Sumoylasyon transkripsiyonal represyon ile ilişkilidir.
2.3. Kromatin Değiştirici Kompleksler (Chromatin remodeling
complexes)
Kromatin değiştirici kompleks DNA ve histon arasındaki etkileşimi
değiştirmek için ATP hidroliziyle ürettiği enerjiyi kullanmaktadır. Böylece
transkripsiyon faktörlerinin DNA düzenleyici elemanlarına bağlanmasına izin
verilmiş olur.
Kromatin değiştirici kompleks kromatin yapısında en az dört farklı değişiklik
meydana getirebilir ;
1. Nükleozomun kayması : nükleozomun DNA üzerindeki konumu
değişir.
2. Nükleozomda şekil değişikliği : DNA daha erişilebilir hale gelir
ama histonlar bağlı kalır.
3. Nükleozomun yerinden çıkarılması : Histon ve DNA tamamen
ayrışır.
4. Nükleozomun değişimi : Bir histonla histon türevi yer değiştirir.
SWI/SNF, ISWI ve SWR1 kompleks ailelerinin dahil olduğu çok sayıda ATP
bağımlı değiştirici kompleks bulunmaktadır. Her aile özel altbirim
kompozisyonuna sahiptir ve ayrı bir ATPaz içermektedir.
2.3.1. SWI/SNF kromatin değiştirici kompleks ailesi
SWI/SNF kromatin değiştirici kompleksi S. cerevisiae’de bulunmuştur. En az
11 farklı polipeptitten oluşan 2 MDa’luk bir protein komplekstir.
İnsan SWI/SNF homoloğu BAF (BRG-1 ilişkili faktör )olarak adlandırılır. İki
ATPaz altbirimi , insan Brahma (hBRM) ve Brahma-related gene 1 (BRG1)
içermektedir. RSC (remodel the structure of chromatin) SWI/SNF ile ilişkili
diğer bir maya kromatin değiştirici kompleksidir.
Memeli SWI/SNF
SWI/SNF görevi ; nükleozomun kayması ve ayrılması
SWI/SNF ve RSC tipi kromatin değiştirici kompleks nükleozomun kaymasına
ve önemli bir karışıklığa 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.
2.3.2. 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.
2.3.3. SWR1 kromatin değiştirici kompleks ailesi
SWR1 kompleksin kromatin değişiminde farklı bir yol izler. 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.
3. 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.
KAYNAKLAR
 Neil A. Campbell, Jane B. Reece , Biology 8th edition (2008)
 Gerald Karp , Cell and Molecular Biology 6th edition , ISBN13 978-0-470-48337-4 (2010)
 Benjamin Lewin , Genes IX, ISBN-13: 978-0-7637-4063-4 ,
(2008)
 Alberts B.,Johnson A.,Lewis J.,Raff M.,Roberts K.,Walter P.,
Molecular Biology of the Cell , Fifth edition ISBN9 78-08153-4r05 (2008)
 Leland H. Hartwell, Leroy Hood, Michael L. Goldberg, Ann E.
Reynolds, and Lee M. Silver , Genetics: From Genes to
Genomes Fourth Edition