Gen İfadesinin Düzenlenmesi

Gen İfadesinin Düzenlenmesi Gelişimin ya da hayat döngüsünün herhangi bir aşamasında bir hücrede ifade edilen gen ürünlerinin miktar ve ifade zamanlarının geri döndürülebilen mekanizmalarla kontrolüdür.

Vücuttaki her hücre aynı DNA’ya sahiptir!... Hücreler nasıl birbirinden farklı olabilir ? www.pellinglab.net/image_gallery/vinculin.jpg themindperspective.files.wordpress.com www.ladinfo.org/wbc-rbc-large-B.jpg

Gen ifadesinin Düzenlenmesi Sürekli olarak yapılan bir ürünün üretiminin baskılanması BASKILANABİLİR sistem: Genellikle hücre bir ürünü üretir, ancak ürüne ihtiyacı yoksa üretimi durdurur. Sürekli üretilmeyen bir ürünün yapımının uyarılması (indüklenmesi) - İNDÜKLENEBİLİR sistem: Hücre, her zaman üretmediği bir ürünü ihtiyacı olduğu durumlarda üretebilir.

Gen ifade sistemleri POZİTİF ya da NEGATİF kontrol altında çalışabilir ve her tip İNDÜKLENEBİLİR ya da BASKILANABİLİR sistemlerle bağlıdır.

Santral Dogma DNA RNA Protein Transkripsiyon Translasyon Replikasyon

Gen ifadesinin düzenlenmesi değişik basamaklarda olabilir DNA ya da kromatin yapısının yapısal ve kimyasal modifikasyonu Transkripsiyon RNA transportu (taşınımı) mRNA yıkımı Post-transkripsiyonel modifikasyonlar Translasyon Post-translasyonel modifikasyonlar

DNA Modifikasyonu DNA Metilasyonu Prokaryot ve ökaryotlarda gen ifadesinin baskılanması için genelbir mekanizmadır. DNA metiltransferaz enzimi S-adenozil-metiyonin’den bir metil grubunun Sitozin’in 5. karbon atomuna transferini katalizler. www.cellscience.com/reviews7/Taylor1.jpg

DNA Modifikasyonu Histon modifikasyonları chemistry.gsu.edu/images/nucleosome.jpg

Histon asetilasyonu, Histon deasetilasyonu HATs, HDACs missinglink.ucsf.edu/.../images/acetylation.png

Histon Metilasyonu HMTs www.bioscience.org/2009/v14/af/3466/fig1.jpg www.kapplerlab-munich.de/images/methylation.jpg

TRANSKRİPSİYON SEVİYESİNDE KONTROL Transkripsiyonun ne zaman olacağı ve ne kadar RNA molekülü yapılacağının kontrolüdür. Gen ifadesinin kontrolünde en önemli paya sahiptir.

Transkripsiyonun başlaması Transkripsiyon bir genin 5’ ucuna yakın yerleşimli “promotör” bölgesinden başlar. TATA proteini promotöre bağlanır ve diğer Transkripsiyon faktörlerini bulunduğu yere yönlendirir. TATA bağlanma proteini Promotör Transkribe olacak gen dizisi TATA box THE PROMOTER REGION OF A GENE HAS SPECIFIC SEQUENCES THAT ARE RECOGNIZED BY PROTEINS THAT INITIATE TRANSCRIPTION A BINDING PROTEIN RECOGNIZES THE TATA REGION AND BINDS TO THE DNA THIS ALLOWS OTHER TRANSCRIPTION FACTORS TO BIND THE PRESENCE OF THE NECESSARY TRANSCRIPTION FACTORS ALLOWS RNA POLYMERASE TO BIND AND BEGIN MAKING MRNA DNA GG TATA CCC Transkripsiyon faktörü Transkripsiyon başlar Transkripsiyon kompleksi, promotör bölgesinde tam olarak oluştuğunda transkripsiyon işlemi başlar.

Spesifite faktörleri: RNA polimerazın promotora bağlanma affinitesini değiştiren proteinlerdir (Örn: Sigma faktörü) Bazal faktörler: RNA polimeraz enzimine bağlanan ve transkripsiyonu başlatan proteinlerdir. Represörler: RNA polimerazın promotor bölgeye ulaşmasını engellerler. Aktivatörler: RNA polimeraz-promotör etkileşimini arttırırlar.

Sürekli olarak yapılan bir ürünün üretiminin baskılanması Gen ifadesinin Düzenlenmesi: Nasıl cevap verildiğine göre 2 aşamada özetlenebilir Sürekli olarak yapılan bir ürünün üretiminin baskılanması BASKILANABİLİR sistem: Genellikle hücre bir ürünü üretir, ancak ürüne ihtiyacı yoksa üretimi durdurur. Sürekli üretilmeyen bir ürünün yapımının uyarılması (indüklenmesi) - İNDÜKLENEBİLİR sistem: Hücre, her zaman üretmediği bir ürünü ihtiyacı olduğu durumlarda üretebilir.

Gen ifade sistemleri POZİTİF ya da NEGATİF kontrol altında çalışabilir ve her tip İNDÜKLENEBİLİR ya da BASKILANABİLİR sistemlerle bağlıdır.

OPERON MODELİ Operon: Tek promotörün kontrolü altında bulunan ve çok sayıda genin ifadesini düzenleyen bir sistemdir. Bir polisistronik mRNA ve onun düzenleyici elementlerinden meydana gelir askoti.com/.../uploads/2009/09/lac-operon.gif

Bir Operonun Bileşenleri Promotör: RNA polimerazın bağlanma bölgesini içeren özel dizilerdir. Operatör: Yapısal genlerin fonksiyonlarını denetleyen özel dizilerdir. Represörler: Operatöre bağlanarak transkripsiyonu baskılayan proteinlerdir. Aktivatörler: Operatöre bağlanarak transkripsiyonu uyaran proteinlerdir. Kodlayıcı diziler: mRNA’yı oluşturan dizilerdir.

İNDÜKLENEBİLEN SİSTEM: LAKTOZ (Lac) OPERONU β-galaktosizdaz: Laktozu glukoz ve galaktoza ya da allolaktoza katabolize eder. β-galatozid permeaz: Laktozun hücreye alınmasını sağlar. β-galatozid transasetilaz: Laktoz metabolizması sonucu açığa çıkan atıkların uzaklaştırılmasını sağlar.

Laktoz operonunun NEGATİF düzenlenmesi Lac I geninin kodladığı protein Lac operonunun promotorundaki operatör bölgeye bağlanır ve RNA polimerazın ilerlemesini engeller. Lac l,Lac represör (baskılayıcı) protein olarak da bilinir. Represör protein, allosterik (şekil değiştirme) olarak kontrol edilebilen bir proteindir ve “inducer” (laktoz) olarak bilinen bir molekül için bağlanma bölgesine sahiptir. Bağlanma olduğunda, baskılayıcının bağlanma özellikleri değişir bu da operatorün açık kalmasına neden olur

Laktoz (-) The Cell - A Molecular Approach Cooper, Geoffrey M. Sunderland (MA): Sinauer Associates, Inc.; c2000

Laktoz (+) The Cell - A Molecular Approach Cooper, Geoffrey M. Sunderland (MA): Sinauer Associates, Inc.; c2000

Laktoz (+) NEGATİF İNDÜKSİYON The Cell - A Molecular Approach Cooper, Geoffrey M. Sunderland (MA): Sinauer Associates, Inc.; c2000 NEGATİF İNDÜKSİYON

Laktoz operonunun POZİTİF düzenlenmesi Glukoz laktoza göre daha çok tercih edilen bir şekerdir. Glukoz varsa hücre glukozu kullanır, glukoz yoksa ve laktoz varsa enzimlerle laktozu parçalayarak kullanır.

Olağan şartlarda, lac operonu RNA polimeraza karşı yüksek bir ilgiye sahip değildir, baskılayıcı olmasa da lac promotörüne yakın bir başka bölge (cap bölgesi) katabolik aktivator proteine (CAP) karşı ilgiye sahiptir. Sadece CAP proteini cap bölgesine bağlandığında RNA polimeraz lac promotörü için yüksek ilgiye sahip olur ve çok hızlı transkripsiyon gözlenir. Hücrede glukoz konsantrasyonu düştüğünde, hücrede cAMP konsantrasyonu yükselir (açlık sinyali), cAMP-CAP ile bir kompleks oluşturur. CAP-cAMP kompleksi cap bölgesine bağlanır ve promotör RNA polimeraz için daha çekici olur. Hücrede glukoz konsantrasyonu yüksekse, cAMP konsantrasyonu düşüktür. Bu durumda CAP ile kompleks yapmak için az sayıda cAMP vardır CAP-cAMP kompleksi oluşamadığı için RNA polimerazın promotöre ilgisi azalır.

Laktoz operonunun POZİTİF düzenlenmesi

SORU Glukoz (-), Laktoz (+) Glukoz (-), Laktoz (-) durumlarında lac operonunda bulunan genlerin ifadelerini irdeleyiniz…

CEVAP 1. Glukoz (-), Laktoz (+)

CEVAP 1. Glukoz (-), Laktoz (+) EKSPRESYON YAPILIR

CEVAP 2. Glukoz (-), Laktoz (-)

CEVAP 2. Glukoz (-), Laktoz (-) EKSPRESYON ENGELLENİR

BASKILANABİLİR SİSTEM: TRİPTOFAN (Trp) OPERONU Triptofan amino asitinin sentezi için gerekli olan 5 geni içerir www.nature.com/.../images/nbt1204-1502-F1.jpg

Trp Operonunun Düzenlenmesi Represör/operatör ilişkisi ile 2. Sentezine başlanmış olan transkriptin terminasyonu ile (attenüasyon) olur.

Trp Operonunun Düzenlenmesi Represör/operatör ilişkisi : Trp (+) Hücrede trp varsa, trp’nın bir kısmı serbest olan trpR geni ürünü REGÜLATOR PROTEİN’e (R) bağlanır ve onu aktive eder. R-trp kompleksi trp operatorüne karşı yüksek affiniteye sahiptir. İlişki kurduklarında, RNA polimerazın ilerlemesini bloke ederler ve transkripsiyonu durdururlar. Operon “kapatılır”.

Trp Operonunun Düzenlenmesi Represör/operatör ilişkisi : Trp (+)

Trp Operonunun Düzenlenmesi Represör/operatör ilişkisi : Trp (-) Hücrede Trp konsantrasyonu çok azaldığında, Trp, regulatör proteinden ayrılır, R proteini operatöre karşı olan affinitesini kaybeder ve ayrılır. RNA polimeraz ilerleyerek, Trp sentezinden sorumlu 5 genin transkripsiyonunu yapar.

Trp Operonunun Düzenlenmesi Represör/operatör ilişkisi : Trp (-)

Trp operonunun düzenlenmesi: Sentezine başlanmış olan transkriptin terminasyonu ile (attenüasyon) düzenlenme

Trp operonunun düzenlenmesi: Sentezine başlanmış olan transkriptin terminasyonu ile (attenüasyon) düzenlenme Ortamda trp miktarı fazlaysa ve hızlı translasyona yetecek tRNAtrp varsa, ribozom bölge 1-2’yi kendiliğinden örter. 3-4 bölgeleri ise İLMEK yapar. Sentezi başlamış olan transkriptin RNA polimeraz ile ilişkisi kesilerek transkripsiyon durdurulur. The Cell - A Molecular Approach Cooper, Geoffrey M. Sunderland (MA): Sinauer Associates, Inc.; c2000 YÜKSEK Triptofan Miktarı

Trp operonunun düzenlenmesi: Sentezine başlanmış olan transkriptin terminasyonu ile (attenüasyon) düzenlenme Ortamda hazır bulunan triptofan yetersizse, uygun tRNAtrp oluşturulması gerekir . Bu sırada ribozom, tRNAtrp oluşturulmasını beklerken bir gecikme olur ve bu arada 2-3 bölgeler İLMEK yapar. 3. Bölge, 4 ile İLMEK yapamaz ve RNA polimeraz transkripsiyona devam eder. The Cell - A Molecular Approach Cooper, Geoffrey M. Sunderland (MA): Sinauer Associates, Inc.; c2000 DÜŞÜK Triptofan Miktarı

mRNA’nın işlenmesi seviyesinde kontrol Ekzon İntron Ekzon İntron Ekzon DNA İntron olarak adlandırılan ve protein ürününe dönüşmeyen diziler kesilerek çıkartılır Sitoplazmada parçalanmalara karşı korunması için 5’ ucuna G-G kapakçığı, 3’ ucuna poli-A kuyruğu takılır. Transkripsiyon Kapakçık Kapakçık ve kuyruğa sahip mRNA Introns removed Kuyruk Ekzonlar birleştirilir mRNA EACH GENE CONTAINS A NUMBER OF NONCODING REGIONS THAT DO NOT CONTAIN INFORMATION NEEDED TO BUILD A FUNCTIONAL PROTEIN BECAUSE OF THIS THE MRAN MUST BE EDITED PRIOR TO LEAVING THE NUCLEUS THIS IS KNOWN AS RNA PROCESSING DURING PROCESSING THE NONCODING REGIONS OF THE MRNA CALLED INTRONS ARE SNIPPED OUT BY SPECIFIC ENZYMES THEN THE REMAINING SEGMENTS OR EXONS ARE SPLICED TOGETHER TO CREATE A SHORTER FUNCTIONAL STRANSD OF MRNA THE PROCESSED MRNA ENTERS THE CYTOPLASM THROUGH ONE OF THE NUCLEAR PORES THINK OF CARS ON A HIGHWAY AS THE EXONS AND ROAD BETWEEN AS INTRONS Kodalayıcı dizi NUKLEUS SİTOPLAZMA

mRNA’nın işlenmesi seviyesinde kontrol Eğer mRNA işlenmemişse nükleustan sitoplazmaya transfer edilemez ve translasyonu yapılamaz. Bir gen ile ilgili olarak farklı hücre ve doku tiplerinde intronların çıkartılıp, ekzonların uç-uca birleştirilmesi sırasında farklı alternatif ürünler ortaya çıkabilir. Bu işleme alternatif-ayıklanma (alternative splicing) adı verilir.

mRNA’nın “uzun ömürlülüğünün” kontrolü Transkribe edilen bir mRNA molekünün sentezinden yıkımına kadar geçen süre mRNA’nın ömrü olarak ifade edilir. Farklı genlere ait mRNA’ların ömürleri birbirinden farklıdır. Bir kısım mRNA’lar kısa ömürlü iken, bir kısım mRNA’lar ise daha uzun ömürlüdür. Bir mRNA’nın ömrü o mRNA’nın ne kadar protein ürününe dönüştürüleceğini etkiler. Yapılan çalışmalarda bir transkriptin 3’ UTR’sinde (translasyona uğramayan bölgesi) ne kadar çok AUUUA dizisi var ise o transkriptin ömrünün o kadar kısa olduğu gösterilmiştir.

Gen İfadesinin Translasyon Seviyesinde Kontrolü Çok sık kullanılan bir kontrol sistemi değildir. mRNA’nın translasyonu birden fazla mekanizma ile kontrol edilebilir. En çok kullanılanı, translasyonun başalaması seviyesinde gerçekleşir. Küçük ribozomal alt birimin mRNA’ya yönlendirilmesi Antisense RNA’lar ----

Antisense RNA

Gen ifadesinin post-translasyonel modifikasyonlar ile düzenlenmesi Bir polipeptidin (proteinin) sentezi fonksiyonel proteinin üretimine eşdeğer değildir. Bir çok protein hücre içinde doğru yerleşim ve fonksiyonları için post translasyonel modifikasyonlar denilen sentez sonrası değişikliklere maruz kalır Polipeptidin kullanılır hale gelmesi için: Polipeptidin son üç boyutlu konformasyonuna katlanması Polipeptit zincirlerinin bir araya gelmesi (çoklu alt birimden oluşuyorsa) Kesim, karbohidratların ve lipitlerin kovalent bağlanması gibi daha ileri değişimlere girmesi gerekmektedir.

Gen ifadesinin post-translasyonel modifikasyonlar ile düzenlenmesi Glikozilasyon Asetilasyon Metilasyon Fosforilasyon Prenilasyon ADP-ribozilasyon ----