GEN EKSPRESYONUNUN KONTROLÜ VE DÜZENLENMESİ

GEN EKSPRESYONUNUN
KONTROLÜ VE DÜZENLENMESİ
GEN İFADESİ
• Bir organizmanın genetik yapısını DNA da bulunan dNTP
dizileri belirler ve bu bilginin ifade edilmesi ise (Protein
sentezi) RNA’lar ile sağlanır.
1. TRANSKRİPSİYON
• DNA’nın belli bölgelerinden genetik bilgi, kopyalanarak
RNA moleküllerine aktarılır. Transkripsiyonda DNA çift
sarmalından birisi kalıp olarak kullanılır ve bu kalıbın
belli bir bölgesi kopyalanır.
TRANSKRİPSİYON
• Transkripsiyon, DNA’da saklanan genetik bilgilerin
bir RNA molekülü (mRNA, tRNA, rRNA…..) şeklinde
kopyalanması veya yazılması olayıdır.
2. TRANSLASYON
• Transkripsiyonla RNA’ya kopyalanan, bir protein
molekülüne ait genetik bilgilerin okunması veya bir
protein molekülü haline çevrilmesine translasyon
adı verilir.
GEN
• Gen; bir polipeptid ya da RNA
çeşidi
sentezinden
sorumlu
bölge olarak tanımlanabilir.
• Gen, kalıtımdan sorumlu olan ve
kendini yenileyerek oğul döllere
aktaran biyolojik birimdir. Her gen,
kromozom haritası üzerinde belirli
bir pozisyona (lokus) sahiptir.
• İlgili DNA bölgesi “transkripsiyon”
ile RNA sentezler ve bu RNA
molekülünden
de
ribozomların
görev aldığı “translasyon” işlemi ile
gerekli proteinler sentezlenir. İşte
her
bir
proteini
kodlayan
nükleotid bölgesi, “gen” olarak
adlandırılır.
Gen, kalıtımın işlevsel birimidir.
GEN EXPRASYONU nedir?
• DNA molekülünde şifrelenen genetik bilginin ifade
edilmesi veya bu bilginin kullanılmasına gen
ekspresyonu denir.
• Bir polipeptid zincirini sentezleyen gene protein geni
denir.
Ökaryotlarda Gen Yapısı (TÜM GEN)
1. Promotor bölge: DNA üzerinden RNA’nın sentezlenmesinden
görevli olan RNA polimeraz enziminin bağlandığı ve transkripsiyonun
başlatıldığı bölgedir. Yapısal genlerin hemen önünde bulunur.
2. Kodlayıcı bölge: RNA’ya ilgili kod şifresini veren esas bölgedir.
Kodlamadan sorumlu olan “ekzon” bölgeleri ve ekzonların arasında
da kodlamadan sorumlu olmayan “intron” bölgeleri bulunur. RNA
polimeraz tarafından intronlar atlanır ve RNA sentezinde herhangi bir
aksaklık olmaksızın ekzonlar okunur. Bu şekilde, “Splicing” adı
verilen bir mekanizma ile ekzonlar, RNA’ların yapısından çıkarılmış
olurlar.
3. Bitiş bölgesi (Dur Kodonu): Yanyana üç nükleotid bir kodonu
meydana getirir. DNA ve RNA üzerinde kodlanmış olarak bulunan
her bilgi, bu şekilde üçlü birimler halindedir. RNA sentezinin biteceği
yerde, deşifre işlemine dur emri verilmesi gerektiğini belirten
kodonlar (UAA gibi) bulunur.
GEN YAPISI
4. CAP bağlanma bölgeleri 5’ ucunda yer alır.
5. Poli A bölgesi (son kısımda) 3’ ucunda yer alır.
6. TATA kutusu (RNA polimerazın promotor bölgeye
bağlanmasını kolaylaştırıcı baz dizisi)
7. Operatör bölgeleri (promotor bölgeden hemen sonra),
genin koordine edildiği bölgelerdir. RNA polimerazın genlere
girmesini kontrol eder.
Prokaryotlarda Gen
GEN İFADESİ
Transkripsiyon ve translasyon olaylarının toplamı,
gen ifadesi (gen ekspresyonu) olarak tanımlanır.
• Prokaryotlar ve ökaryotlar çevresel koşullardaki
değişikliklere yanıt vermek için gen ifade
şekillerini değiştirirler.
• Bakteriler çevresel değişikliklere genellikle
transkripsiyonu düzenleyerek yanıt verir.
• Ökaryotik gen ifadesi pek çok evrede düzenlenir.
• Genlerin farklı ifade olmasını sağlayan program
çok hücreli bir organizmada değişik tipte
hücrelerin oluşumuna yol açar.
İfade
edilen
gen
aktif
gendir.
Bir hücrenin genomunda bulunan genlerin
tümü aktif midir?
Bir
gen
bölgesinden
transkripsiyon
yapılmasına ne zaman ve nasıl karar verilir?
Transkripsiyon seviyesinde gen
aktivitesinin kontrolü
Canlılarda, DNA’dan mRNA’nın sentezlenmesi basamağı
yani transkripsiyon, genetik ifadenin denetlenmesi ve
düzenlenmesindeki en önemli basamaktır.
•
Tek veya çok hücreli canlılarda her proteine ihtiyaçlar
farklı düzeydedir.
•
Aynı canlıda bulunan hücrelerden bir kısmı bir proteine
ihtiyaç duyarken diğerlerinin bu proteine ihtiyacı yoktur.
Bunun için de bunların düzenlenmesi gerekir, yani
baskılanıp veya aktif hale gelmesi gerekir.
•
Ayrıca hücrelerin her proteine, her anda aynı oranda
ihtiyacı bulunmaz.
•
Hücrelerde bazı gen ürünleri çok büyük miktarlarda
bulunurken, diğer gen ürünleri daha az miktarlarda
bulunurlar.
•
Bazı gen
değişebilir.
•
Bazı metabolik yol enzimlerine gereksinim besin
kaynakları değiştikçe ya da tükendikçe azalabilir ya da
artabilir.
•
Çok hücreli bir organizmanın gelişimi sırasında,
hücresel farklılaşmayı etkileyen bazı proteinler, çok az
hücrede yalnızca kısa bir süre bulunabilir.
•
Hücre işlevinin özgünleşmesi, değişik gen ürünlerine
olan gereksinimi çarpıcı şekilde etkileyebilir.
ürünlerine
olan
gereksinim
zamanla
•
Ökaryotik ve prokaryotik hücrelerde genetik bilginin en
son fonksiyonel ürünlerinden biri olan proteine
dönüştürülmesi yani genetik ifadenin denetimi birçok
basamakta gerçekleştirilmektedir. Özellikle ökaryotlarda
denetim daha fazla safhada gerçekleştirilir.
•
Ancak denetimin en önemli noktası DNA’dan RNA’nın
sentezlendiği transkripsiyon basamağının başlangıç
safhasıdır.
•
Prokaryotik hücrelerde organel bulunmadığından
transkripsiyon ve translasyon aynı ortamda cereyan
eder.
Ökaryotik
hücrelerde
transkripsiyon
ve
translasyonun hücrenin farklı kompartımanlarında
meydana gelmesi, gen ekspresyonunun farklı şekillerde
kontrol edilmesine yol açar.
Günümüzde gen ekspresyonu;
Bugün
rekombinant
protein
üretim
teknolojisiyle özellikle ilaç endüstrisi için çok
sayıda protein üretilmekte ve ilgili yöntemler
optimize edilmektedir. Zira protein sentezinin
yüksek maliyeti nedeniyle, en verimli şekilde
gen ifadesinin düzenlenmesi gerekir.
PROKARYOTLARDA GEN
EKSPRESYONUNUN KONTROL VE
DÜZENLENMESİ
Prokaryotlarda protein sentezinin kontrolü
• Prokaryotlarda
protein
sentezinin kontrolü, genellikle
transkripsiyon düzeyinde ve
daha az olarak translasyon
düzeyinde olur.
• Transkripsiyon
düzeyinde
kontrol, nitel kontroldür; bir
protein sentezlendikten sonra,
yeniden gerekene kadar bu
proteinin sentezi kısıtlanır veya
durdurulur; bu sırada diğer
proteinler
sentezlenir.
Prokaryotlarda mRNA yarı ömrü
kısadır.
Genellikle
protein
azalması gerektiğinde gen
transkripsiyonu
kapatılır;
mRNA yapılmaz.
Transkripsiyon
düzeyinde
regülasyon,
transkripsiyonun ne zaman olacağı ve ne kadar
RNA molekülü yapılacağının kontrolüdür.
Prokaryotlarda
translasyon
aşamasında
kontrolde, proteinler mRNA’ya bağlanarak olayı
durdurabilirler; mRNA’nın tersiyer yapısı,
mRNA/30S
alt
ünitesi
bağlanmasını
engelleyebilir.
Metabolik yolun düzenlenmesi
Genlerin ifadesi
baskı
altına
alınabilir.
Hızlı
yanıt
olarak yoldaki
ilk
enzimin
aktivitesini
engeller (Geri
bildirim
yoluyla
inhibasyon)
Prokaryot hücrede Transkripsiyon düzeyinde gen
ifadesinin düzenlenimi,
1. Represyon İle Düzenlenim (trp operonu)
2. indüksiyon İle Düzenlenim (lac operonu) olmak üzere iki
şekilde olabilir.
Prokaryot hücrede Transkripsiyon
düzeyinde gen ifadesinin düzenlenimi
Gen Regülasyonu “nasıl cevap verdiğine göre” özetlenebilir:
1. Sürekli olarak yapılan bir ürünün üretiminin baskılanması
BASKILANABİLİR sistem Represyon İle Düzenlenim
- genellikle hücre bir ürünü üretir, ancak ürüne ihtiyacı yoksa üretimi
durdurur.
Örn; triptofan sentezi
2. Sürekli üretilmeyen bir ürünün yapımının indüklenmesi ile
olur.
İNDUKLENEBİLİR sistem- hücre ürünü yalnızca ihtiyacı olduğunda
oluşturur.
Örn; laktaz sentezi
• Gen ekspresyon sistemleri POZİTİF ya da NEGATİF kontol
altında çalışabilir ve her tip genelde İNDUKLENEBİLİR ya da
BASKILANABİLİR sistemlerle bağlantılıdır.
İNDÜKLENEBİLiR GENLER- OPERON MODELİ
Operon Nedir? Operatör + Promotör ve bunların
kontrol ettiği genler (yapısal genler)
Gen ifadesinin transkripsiyon düzeyinde düzenlenmesi
için operon modeli tanımlanmıştır. Operon, tek
promotorun kontrolü altında bulunan ve çok sayıda
genin (cluster) ifadesini düzenleyen bir sistemdir.
Bir polisistronik mRNA ve onun düzenleyici
elementlerinden meydana gelir (!!!bu nedenle sadece
prokaryotlarda operon var).
Operonda yer alan genler tipik olarak ortak bir
metabolik yolda fonksiyon görürler.
Bir operonun bileşenleri:
Promotor; üzerinde RNA polimeraz bağlanma bölgesi ve
cAMP+reseptör protein bağlanma bölgesi olmak üzere iki
bölge içerirler.
Operatör (kontrol bölgesi); yapısal genlerin fonksiyonunu
denetlerler.
Yapısal genler; mRNA’yı oluştururlar.
Repressor;
operatöre
bağlanarak
transkripsiyonu
baskılayan protein
Terminatör ve Düzenleyici genler operon içinde yer almaz
ancak özellikle düzenleyici genler operonu uzaktan kontrol
ederler.
TRİPTOFAN OPERONU
E.coli’de yapısı aydınlatılan bir modeldir. Protein sentezi için triptofan
gerektiğinde bu amino asidin sentezinden görevli beş enzim aynı mRNA
üzerinden sentezlenir. Kontrol mekanizması lac operonu’ndan farklı
şekilde gerçekleşir.
Atternuatör
Operatör
Promotor
Ptrp
Lider
Otrp
L
Baskılayıcı
Trp R
trpE
Düzenleyici bölge
Trp operonu
Baskılayıcı protein
trpC
Yapısal genler
Triptofan bağlanma
bölgesi
Triptofan
(ortak-baskılayıcı)
trpD
trpB
trpA
• Baskılama; R geninden mRNA ve daha sonra represör
protein sentezlenir.
• Ortamda triptofan varsa represör proteine bağlanır.
Bağlanma gerçekleştikten sonra represör proteinin
konformasyonunda değişme meydana gelir. Böylece
represör protein operatör bölgeye bağlanabilir hale
gelir. Oluşan kompleksin bağlanması yapısal genlerin
transkripsiyonunu engeller.
• Ortamda triptofan yoksa represör proteine bağlanıp
konformasyonu değiştirecek triptofan olmadığından
bağlanma gerçekleşmez. Represör protein, operatör
bölgeye bağlanamadığından yapısal genler şifrelenir
ve triptofan sentezinden sorumlu beş enzim
sentezlenir.
E. coli’de trp Operonu ve Kontrol Mekanizması
Anabolik yolda gerekli proteinlerin üretilmesi.
LAKTOZ OPERONU
E.coli,
karbon
kaynağı
olarak
laktozu
kullanabilir. Bu şekerin metabolizmasında rol
alan en önemli enzim, laktozu galaktoz ve
glukoza hidrolizleyen -galaktozidaz’dır. Laktozlu
bir ortamda yaşayan bir E.coli hücresi bu
enzimden binlerce molekül ihtiva eder.
•
-galaktozidaz indüklenebilir bir enzimdir. Bu
enzim ile birlikte, aynı gen tarafından galaktosit
permeaz ve tiyogalaktosit transasetilaz enzimleri de
sentezlenir.
• -galaktozidaz;
hidrolizleyen
laktozu
galaktoz
ve
glukoza
• Permeaz, laktozun bakteri hücresi membranından
geçişini sağlayan bir transport proteini iken,
• transasetilazın fizyolojik rolü çok açık olmamakla
birlikte laktozun sindirilmesi sırasında ortaya çıkan
toksik yan ürünlerin uzaklaştırılmasından sorumlu
olabileceği düşünülmektedir.
Söz konusu olan
laktoz operonunun genetik
elemanlarını bir regülatör (düzenleyici) gen, bir operatör
gen ve bir seri yapısal genler oluşturmaktadır.
Regülatör gen, operatör genle etkileşebilen ve protein yapısında
molekül olan bir represör meydana getirir.
Operatör gen kontrol ettiği yapısal genlerin bitişiğinde bulunur.
Represör proteinin operatör gene bağlanması sonucu yapısal
genlerin transkripsiyonu engellenir.
Operatör gen ve beraberindeki yapısal genlere bir arada operon adı
verilir.
“i” geni regülatör geni,
“o” geni, operatör geni,
“ z, y ve a ” genleri de
yapısal genleri temsil
etmektedir.
RNA
polimerazın
bağlanması için “ p ” ile
gösterilen bir promotor
bölgesi vardır.
IPTG gibi indükleyici
bileşikler
represöre
bağlanarak
onun
operatör
genle
etkileşmesini önler. Bu
durumda da z, y ve a
genleri sözü edilen üç
enzimi şifreleyen
bir
mRNA
molekülüne
çevrilir.
E.coli lac operonu’nun indüklenme ve
baskılanma mekanizması.
E.coli’de bu enzimlerin fizyolojik indükleyicisi olarak
laktozun transglikasyonu ile oluşan allolaktoz görev
yapmaktadır. Bu bileşiğin oluşumu indüksiyon öncesi
hücrede mevcut olan az miktarda -galaktozidaz
molekülleri
tarafından
katalizlenmektedir.
Yapılan
çalışmalar izopropiltiyogalaktosid (IPTG) gibi metabolize
olmayan bazı
bileşiklerin de indükleyici olduğunu
göstermiştir.
CH2OH
HO
O
H
OH
O
H
H
H
H
H
OH
O
H
OH
OH
HO
H
H
HO
H
1,6-Alloaktoz
CH2OH
CH2
OH
H
OH
S
CH3
S C H
H
CH3
H
H
H
IPTG
OH
Lac Operonun bileşenleri;
A-YAPISAL GENLER
1. beta galaktosidaz- “z geni”: laktozu glukoz ve galaktoza ya da allolaktoza
katabolize eder.
2. beta galaktosid permeaz-“y geni”: laktozun hücreye alınmasını sağlar.
3. beta galaktosid asetil transferaz-“a geni”: hücrede bulunabilecek diğer galaktosid
şekerleri asetiller (laktoz metabolizması sonucu açığa çıkan atıkların
uzaklaştırılması)
Hepsi aynı promotorun kontolündedir.
B- REGÜLATOR GEN
lac operonunun yukarısında BAĞIMSIZ gen vardır (“i” olarak gösterilir), özgül
BASKILAYICI (repressör) PROTEİN’i kodlar, bu protein lac operonunun operatorüne
bağlanabilir.
C- OPERATÖR- repressör
proteinin bağlandığı bölge
D-INDUCER
E.coli
lac
operonunda,
indukleyici
(gizemli molekül) laktozun
izomeridir.
ALLOLAKTOZ Laktoz (ALLOLAKTOZ)
yukarıdaki 3 farklı enzimin 1000 kat fazla
oranda sentezlenmesini (ifade) edilmesini
uyarır.
Yapısal genler
lacI Geninin Kodladığı Protein Lac Operonunun Promotorundaki operatör
bölgeye bağlanır. Lacl, Lac repressor protein olarak da bilinir.
Repressör protein, allosterik (şekil değiştirme) bir proteindir ve inducer olarak
bilinen gizemli bir molekül için bağlanma bölgesine sahiptir.
Bağlanma olduğunda, İNDUCER- ALLALAKTOZ baskılayıcının bağlanma
özelliklerini değiştirir, bu da operonun Operatörünün serbest kalmasına
neden olur.
NEGATİF GEN DÜZENLENMESİ;
• trp ve lac operonun düzenlenmesi genlerin negatif
kontrolünü içerir.
• Operonlar repressör proteinlerin aktif formu tarafından
kapatılır.
• trp operonu tipik örnektir. lac operonunda da durum
aynıdır. Allolaktoz enzim sentezi doğrudan genom üzerinde
etki yaratarak değil, lac operonunu repressörün negatif
etkisinden kurtararak uyarır.
POZİTİF GEN DÜZENLENMESİ;
Düzenleyici bir protein, doğrudan genomla etkileşerek
gen düzenlenmesi yapılmaktadır. (Repressör yok)
Örn; lac operonunu içeren pozitif gen kontrolü
POZİTİF GEN DÜZENLENMESİ;
•
Burada laktoz operonu modeli ile anlatılan protein
sentezinin kontrolü, daha birçok başka faktörler tarafından
da etkilenmektedir. Mesela, memelilerde çok önemli
düzenleyici rolleri olan cAMP bakterilerde "katabolit aktive
edici proteine (CAP)" bağlanarak (CAP-cAMP kompleksi,
kooperatif bağlanma), bu proteinin laktoz operonunda
spesifik bir diziliş bölgesine bağlanmasını ve sonuç olarak
genin indüklenmesini sağlamaktadır.
• E.coli ortamında glukoz varlığında ortamda laktoz olsa bile
lac operonu aktif olmamaktadır. Glukoz, adenilat siklaz
enzimini inhibe ederek ATP’den cAMP oluşumunu engeller.
Bunun sonucu olarak CAP-cAMP kompleksi oluşmaz ve
indükleme mekanizması çalışmaz. Ortamda glukoz yoksa
adenilat siklaz enzimi inhibe olmaz, cAMP oluşur; CAP ile
kompleks oluşturarak indükleme mekanizması çalışır.
Katabolik
represyon
(Glukoz
etkisi)Lac operonunun
pozitif
regülasyonu
Laktozun
tek
başına C kaynağı
olduğu durumlarda
Pozitif
kontrol
gözlenir.
AMP-CAP kompleksi cap site’ye bağlandığında lac operonu için “süperindükleyici” rolü oynar, bu etkileşim tipi POZİTİF REGÜLASYONUN bir tipidir:
protein kompleksi iliştirilmesiyle transkripsiyonun induklenmesi (zıt olarak
baskılayıcı proteinin bağlanmasıyla transkripsiyonun engellenmesi)
•
Hücrede
glukoz
konsantrasyonu
düştüğünde, hücrede cAMP
konsantrasyonu
yükselir
(açlık sinyali), cAMP-CAP
ile bir kompleks oluşturur.
•
CAP-cAMP kompleksi cap
site’ye bağlanır ve RNA
polimeraz için daha çekici
olur.
•
Hücrede
glukoz
konsantrasyonu yüksekse,
cAMP
konsantrasyonu
düşüktür. Bu durumda CAP
ile kompleks yapmak için
uygun az sayıda cAMP
vardır.
ATTENÜASYON
Prokaryotlarda
organel
bulunmadığından
transkripsiyon
ve
translasyon aynı anda gerçekleşir. Transkripsiyonun sonlanmadan
translasyonun
meydana
geldiği
de
görülür.
Attenuasyon
transkripsiyonun translasyon ile kontrol edilmesinin bir sonucudur.
Yüksek triptofan konsantrasyonunda translasyon sırasında triptofana
karşılık gelen UGG kodonları hızlı bir şekilde aşılır. Daha sonra stop
kodonuna gelindiğinde protein sentezi durur ve mRNA saç tokası
şeklini alır. Bu noktadan itibaren transkripsiyon engellenir. Bu olaya
attenüasyon (güç kaybı anlamındadır) denir.
Lider diziden itibaren attenüasyon olana kadar 140 nükleotidlik mRNA
sentezlendiği belirlenmiştir. Triptofan ortamda yoksa lider diziden
itibaren transkripsiyon devam eder. UGG kodonlarına gelindiğinde
ortamda triptofan bulunmadığından ribozom duraklar. Bu nedenle
mRNA saç tokası şeklini almaz ve yapısal genlerin transkripsiyonu
gerçekleştirilir.