Genetik regülasyon

Gen Expresyonunun Kontrolü 1-yapının değişmesi: DNA sıkı biçimde paketlenmiş konumdan gevşek paketlenmiş konma geçer buda genlerin ekspresyonu kolaylaştırır 2-Transkripsiyon düzeyinde kontrol Belirli bir gen nezaman hangi sıklıkta transkribe edilecek 3-mRNA processing-işlenme kontrolü RNA transkriptinasıl splays olacak ve işlenip olgunlaşacak 4-mRNA degredasyonu-stabilizasyonunun kontrolü 5-mRNA’nın transportu ve lokalizasyonunun kontrolü Hangi tamamlanmış RNA nükleusta kalacak hangisi sitoplazmaya geçecek ve sitoplazmanın neresinde bulunacak 6-Translasyonel kontrol Sitoplazmadaki hangi mRNA ribozomlarda translasyona uğrayacak 7-protein aktivitesinin kontrolü seçici olarak sentezlenen proteinin hücrenin neresine gideceği, nasıl degrade olacağı, inaktive-aktive edileceği Tüm bu aşamalar hücrelerde farklı biçimde gerçekleşir buda çeşitli hücrelerde farklı biçimde genetik kontrolün gerçekleştiğini gösterir.

Gen Regülatör Proteinlerdeki DNA’ya bağlanan Motifler

Her genin transkripsiyonu transkripsiyonun başladığı bölgeye yakın DNA’nın regülatör dizileri tarafından kontrol edilir. Bu regülatör diziler bazan oldukça basittir ve tek bir sinyalle uyarılır.Bazıları ise komplekstir bir çok mekanizmayla harekete geçerler. Basit yada kompleks olsun bu genetik düğmeler (switch) iki tip bileşenden oluşur. Kısa bir spesifik DNA dizisi Ve onu tanıyıp bağlanan gen regülatör proteinler Bu proteinler DNA’ya iki bölgeden bağlanır Major groove (büyük oluk) Minor groove (küçük oluk)

Gen regülatör proteinlerinin özellikleri Motif lokalizasyonu özelliği DNA’da bağlandığı bölge Heliks-turn-helix Bakteri regülatör proteinleri benzer motifler ökaryotlarda da var İki alfa heliks taşır Büyük oluk (major groove) Zinc-finger Ökaryotik regülatör proteinler Aa halkası ve çinko Steroid reseptör Ökaryorik protein İki alfa heliks ve çinko bulunur ve çinko 4 tane sistein birimiyle çevrilidir Büyük oluk ve DNA omurgasına bağlanır Lösin fermuarı Ökaryotik transkripsiyon faktörleri Lösin birimlerinin oluşturduğu heliks ve bazik bir koldan oluşur. İki komşu büyük oluk Heliks-loop-heliks Ökaryotik protein İki alfa heliks bir aminoasit halkasıyla ayrılır homeodomain Ökaryot regülatör proteinler Üç alfa heliks

Bakterilerde genetik kontrol Operon: bakteri gen ekspresyonu regülasyonu birimidir. Yapısal (structural) genleri ve kontrol elementlerini içerir. Bu elementlere regülatör gen ürünleri bağlanır. Operatör: repressör proteinin bağlandığı DNA dizisidir ve bu diziye repressörün bağlanması komşu olduğu promotordan transkripsiyonu önler Repressör:DNA yada RNA’da operatöre bağlanan transkripsiyon yada translasyonu önleyen proteindir Represyon:bakterilerin eğer ortamda varsa çeşitli protein yada enzimlerin üretimini önlemesidir Indüksiyon:bakterilerin sübstratları olduğu durumda o sübstratı kullanan enzimi üretmesidir

Bakterilerde Genetik Kontrol Bir genin 5’ ucunda bulunan regülatör gen bir transkripsiyonla bir mRNA sentezler bu mRNA’dan regülatör bir protein sentezlenir (repressör). Repressör promotor dizi ile çakışan operatör bölgeye bağlanır ve promotora RNA pol enziminin bağlanmasını önleyebilir eğer bağlanmazsa yapısal genler transkribe olur ve oluşan mRNA’dan çeşitli proteinler sentezlenir. Örneğin Öncü (precursor X) ara ürünler ve son ürün

Eğer bir operon sübstratın varlığında (indüser) burada precursor V) regülatör gen tarafından üretilen repressöre bağlanarak aktif repressörü inaktif hale getirir.İnaktif repressör operatöre bağlanamaz ve yapısal genler transkribe olur.Eğer indüser yoksa o sübstartı parçalayacak enzimlere de gerek yoktur. Dolayısıyla regülatör gen tarafından üretilen repressör operatöre bağlanır ve transkripsiyonu önler.

Negatif represe olan operonda regülatör gen tarafından oluşturulan repressör inaktiftir ve operatöre bağlanamaz ve yapısal genler transkribe olur. Eğer ortamda son ürün (burada product U yada korepressör) yeterince varsa bu ürünü oluşturacak genlerin transkripsiyonuna da gerek yoktur dolayısıyla son ürün inaktif repressöre bağlanır ve onu aktive ederek operatöre bağlanmasını sağlar ve transkripsyon önlenir.

Pozitif ve negatif kontrol ile represe ve indüklenebilen operonların özellikleri Kontrol tipi Normal olarak transkripsiyon Regülatör protein Regülatör proteinin etkisi Modülatörün eylemi Negatif indüklenebilen Kapalı aktif represör Transkripsiyon inhibisyonu Sübstrat represörü inaktive eder Negatif represe olan açık İnaktif repressör Ürün represörü aktive eder Pozitif indüklenebilen kapalı inaktif aktivatör Transkripsiyon stimülasyonu Sübstrat aktivatörü aktive eder Pozitif represe olan Aktif aktivatör Ürün aktivatörü inaktive eder

E.Coli’de laktoz operonun düzenlenmesi Bu operon hücrenin gereksinimlerine göre transkripsiyonel regülasyonun nasıl işlediğini gösteren iyi bir örnektir Operonun işlevi disakkarit olan laktozu monosakkarit olan galaktoz ve glukoza metabolize etmesidir. B-galaktozidaz enzimi (lacZ geni ürünü) bu reaksiyonu katalizler. Laktoz permeaz (lacY geni ürünü) laktozu hücre içine transfer eder. Lac A geni ürünü olan asetiazın ise işlevi bilinmemektedir Lac operonu genleri laktoz ortamda bulunduğunda ve gereksinim duyulduğunda transkribe olurlar. Yapısal genler lacZ, lac Y ve lac A lac repressörü nün (sürekli olarak lacI geni tarafından üretilir) kontrolü altındadır. operonun regülasyonu lac I ve lac Z genleri arasında bulunan promotor-operatör bölge de oluşur. İki tip kontrol burada görülür (pozitif ve negatif kontrol)

Laktoz metabolizması

Negatif regülasyon lac repressörünün kontrolü altındadır Negatif regülasyon lac repressörünün kontrolü altındadır. Repressör tetramer olarak bulunur ve 4 tane özdeş altbirimi vardır.Repressör operatöre yüksek afinite ile bağlanır ve RNA pol enziminin bağlanmasını bloke eder.Çünkü repressör ve RNA pol enziminin bağlandığı yerler birbirine çakışır.ve transkripsiyon önlenir (negatif kontrol) Lac operonunun negatif kontrolü induserin (indükleyici) eylemine bağlıdır. Burada inducer allolaktozdur. Allolaktoz b-galaktozidaz tarafından oluşturluna laktozun yeniden düzenlenmesiyle oluşturulmuş normal laktoza benzeyen disakkarittir.induser Lac repressörüne bağlanır ve herbir repressör altbiriminde şekil değişimine neden olur. Bu da repressörün operatöre olan afinitesini azaltır ve DNA’dan ayrılmasına neden olur. Ancak repressör operatörden ayrılsa bile RNA pol stabil biçimde promotora bağlanamaz. Dolayısıyla transkripsiyona başlanamaz. Çünkü RNA pol promotora yeterli yükseklikte afinite gösteremediği için promotora uzun süreli bağlanamaz ve bu zaman diliminde de ilk fosfodiester bağını oluşturacak zamanı bulamaz.

Ortamda laktoz yoksa regülatör gen (lacI) bir repressör sentezler ve bu aktif repressör operatöre bağlanarak RNA pol’ın promotora bağlanmasını engeller ve yapısal genler (lacZ, lacY, lacA) transkribe olamaz.

Ortamda laktoz varsa regülatör genden yapılan aktif repressöre allolaktoz (laktozun beta-galaktozidaz ile oluşturulmuş stabil ürünü) bağlanır ve onu inaktive eder. İnaktive repressör operatöre bağlanamaz ve yapısal genler transkribe olur. ortamda laktoz varsa hücre tarafından alınır allolaktoz (laktoz hidrolizinin intermediyatı) üretilir Herbir molekül allolaktozun repressörün herbir alt biriminie bağlanması repressörün şeklini değiştirir Şekil değişimi repressörün operatöre afinitesini azaltır ve DNA’dan repressörün ayrılmasıyla sonuçlanır

Lac operonunda promotor ve operatör bölgeler birbiri üzerine çakışır

Böylece laktoz varlığında ve glukoz yokluğunda negatif kontrol hafifler pozitif kontrol görev alır. The lac repressor-inducer compleksi operatöre daha az afinite gösterir ve ona bağlanamaz Ve CAP-cAMP kompleksi promotora daha fazla afinite gösterir ve ona bağlanır. CAP’ın bağlanması protein-protein etkileşimi ile RNA pol’ın bağlanmasını stabilize eder. RNA pol’ın stabil biçimde bağlanması ilk fosfodiester bağının oluşmasını sağlar ve transkripsiyonun başlangıç kompleksi oluşur. laktoz operonunun pozitif kontrolü hem laktoz hemde glukoz varsa hücrenin enerji elde etmek için laktozu parçalamasına gerek yoktur. Glukoz varsa laktoz yoksa hücre enerji için laktozu parçalar. Glukoz yokluğunda hücre cAMP sentezler cAMP lac operonunun (katabolit operonları) pozitif regülatörüdür. cAMP dimerik cAMP binding (bağlanan) proteine (CAP) bağlanır ve cAMP’nin bağlanması CAP’ın promotora afinitesini arttırır CAP’ın promotora bağlanması RNA pol’ın bağlanmasına aracılık eder. Dolayısıyla glukoz varlığında lac operonununda bulunan genlerin transkripsiyonu enerjinin gereksiz yere kaybıdır.

E.coli’de trp operonu 5 tane yapısal gen içerir ve bu genlerin ürünleri karizmatı triptofana çevirir trpE geni5’ UTR bölgesi içerir ve attenuation denen regülatör mekanizmada önemli bir rol oynar. 5’UTR bölgesi 4 tane bölge içerir. 1. bölge kısa bir peptid kodlar ve bunun içinde 1 tane trp aminoasiti kodonu bulunur. Trp düzeyi eğer yüksekse 3. bölge 4. bölge ile eşleşir ve bu yapı transkripsiyonu attenue eder ve transkripsiyonu sonlandırır. Trp düzeyi düşükse 2. bölge 3. bölge ile eşleşir ve bu yapı transkripsiyonu sonlandırmaz

RNA pol DNA’yı transkribe etmeye başlar bir ribozom RNA pol enzimini hemen takibe başlar ve ribozom 1.bölgeyi translate etmeye başlar Trp çoksa ortamda ribozom trp kodonunda yavaşlamaz.bu arada 3. bölge transkribe edildiği anda ribozom 1. bölgedeki trp kodonunu çoktan geçmiştir ve kısmen 2. bölgeyi kaplamıştır. Böylece 3. bölge 2. bölge ile eş oluşturamaz çünkü bu bölgenin üzerinde ribozom bulunur.3. bölge 4 ile eş oluşturur ve atenuasyon başlar bu atenuasyon transkripsiyonu önler. Yapısal genler transkribe olamaz ve trp sentezi olmaz

Trp az olduğunda ribozom 1.bölgedeki trp kodonuna takılı kalır Böylece 2. bölge ribozomla kaplanmaz ve 3. bölge ile eş oluşturur ve buda transkripsiyonu engellemez transkripsiyon sürer RNA pol yapısal genleri transkribe eder ve bu genler daha sonra translasyonla enzimleri oluşturur ve bu enzimler karizmattan trp sentezler