Introduction to Genetic Analysis Anthony Griffiths • Susan Wessler • Richard Lewontin William Gelbart • David Suzuki • Jeffrey Miller Introduction to Genetic Analysis Eighth Edition Chapter 8: RNA: Transcription and Processing Copyright © 2005 by W. H. Freeman & Company

DNA yapısı RNA’dan farklımıdır? Hücrede RNA tipleri nelerdir? Prokaryotlarda RNA pol transkripsiyonun başlangıcında nasıl pozisyon alır? Ökaryot RNAsı nasıl sentezlenir ve nasıl modifiye edilir? Splaysing mekanizması nasıl çalışır? T7 fajı RNA pol (mavi) DNA’dan RNA senyezler (kırmızı) enzim iki DNA zincirini ayırır (sarı-oranj) ve kalıp zinciri sentezlenmek üzere açığa çıkarır)

giriş Bu bölümde genden gen ürününe bilginin nasıl transfer edildiğini göreceğiz. Herhangi bir organizmanın genomundaki DNA dizisi şifrelenmiştir ve bu şifre bu organizmanın belirli bir özelliğinin bilgisini taşır. Bu diziler sadece bilgi taşımakla kalmaz aynı zamanda nezaman, nerede ve nekadar bu üründen yapılacağını da belirler. Bu bilgiyi kullanabilmek için belirli bir genin kopyası olan ara bir ürün yapılır ve rehber olarak DNA kullanılır. Bu ara molekül RNA’dır ve onun sentezlenme süreci transkripsiyon olarak adlandırılır.

Pro-ve ökaryotlarda transkripsiyon ve translasyon-genel bakış

Genel bakış Prokaryot ve ökaryotlarda bilginin ürüne dönüşmesi çeşitli evrelerde gerçekleşir. İlk evre bilginin RNA biçiminde kopyalanmasıdır (transkripsiyon) Prokaryotlarda bu bilgi hemen ürüne dönüştürülür (amino asit zinciri)-translasyon Ökaryotlarda bu iki süreç ayrılmıştır transkripsiyon çekirdekte trasnlasyon ise sitoplazmada yer alır. Ayrıca RNA çekirdekten sitoplazmaya transfer edilmeden önce işlenir-intronlar uzaklaştırılır, 5’ ucuna cap yapısı eklenir ve 3’ ucuna polyA kuyruğu takılır. Bazı genler için son ürün RNA’dır ve bu RNA’lar proteine dönüşmezler

DNA ve RNA’nın İşlevi İki temel Kurala Bağlıdır baz komplementerliği Replikasyonda yeni sentezlenen DNA zincirinin, transkripsiyonda ise RNA transkriptinin belirlenmesinde sorumludur.Komplementer baz eşleşmesiyle DNA replike olur ve DNA da bulunan bilgi RNA’ya aktarılır (sonra proteine) Belirli proteinler DNA’da belirli baz dizilerini tanır. Bu nükleik asitlere bağlanan proteinler bu dizilere bağlanır ve onların üzerinden eylemlerini gerçekleştirir. Bu iki kuralın transkripsiyon ve trasnlasyon sürecinde nasıl çalıştığını göreceğiz

Genler farklı etkinlikte transkribe ve translase olabilirler Genler farklı etkinlikte transkribe ve translase olabilirler. Buda bir hücrede A geninden elde edilen proteinin B geninden elde edilen proteinden daha fazla olmasına olanak verir. Dolayısıyla genlerin ekspresyonu rastgele ve tekdüze değil hücrenin gereksinimlerine göre düzenlenir. Kısaca genlerin ifade bulmasında genetik kontrol sözkonusudur

RNA Erken araştırmalar bilginin DNA’dan direkt proteine aktarılmadığını savunmakta haklıydılar çünkü ökaryorlarda DNA çekirdekte protein ise sitoplazmada sentezlenmektedir. Dolayısıyla bir ara ürün bulunmalıydı

RNA aracısı ile ilgili ilk çalışmalar 1957 yılında Elliot Volkin ve Lawrance Astrachan önemli bir gözlemde bulundular. E.coli hücreleri T2 ile infekte edildiğinde RNA sentezi ani biçimde patlamaktaydı (artmakta) Bu faj ile artırılan hızlı RNA döngüsünde ortamda kalma süresi kısaydı hızlı ortaya çıkışı ve hemen ortadan kalkışı araştırıcılara RNA’nın T2 genomu ekspresyonu için gerekli olduğunu düşündürmüştür RNA döngüsünü bu deneyde pulse-chase deneyi ile gösteren araştırıcılar infekte bakteriler önce radyoaktif urasil ile beslendi (pulsed with radyoaktif U). Kısa bir inkübasyon periyodundan sonra radyoaktif urasil yıkandı ve normal urasille beslendi (chased by U). Bu chases prosedürü RNAdaki işareti ortadan kaldırdı çünkü RNA yıkıldıkça sadece işaretsiz öncüler yeni RNA sentezi için ortamda kaldı. Buradan RNA’nın yaşam döngüsünün çok kısa olduğu sonucuna varıldı. Aynı deney ökaryot hücreleri içinde yapıldı ve pulse sonrası örenkelerde işaretin çoğu çekirdekte chase sonrası ise işaretlerin çoğu sitoplazmada bulundu

Ökaryot hücrelerinde pulse-chase deneyi

RNA’nın özellikleri RNA genellikle tek zincirlidir, daha esnek bir yapıya sahiptir ve daha kompleks ve çeşitlilik gösteren 3 boyutlu yapılar oluşturur. Bir RNA zinciri öylesine kıvrılabilirki kendi bazlarıyla çift oluşturabilir.Bu molekül içi baz eşleşmesi RNA’nın biçimini ve şeklini belirler RNA ntlerinde riboz şekeri taşır. Adından da anlaşılaşacağı gibi iki şeker arasındaki tek fark 2. C atomuna bağlı oksijenin olup olmamasıdıır. Tek bir DNA zinciri gibi RNA zinciri de şeker-P omurgasından oluşur ve bazlar kovalent olarak ribozun 1’ C atomuna bağlıdır. DNA’da olduğu gibi şekerin 3’-5’ fosfodiester bağıyla nt eklenir. RNA molekülerinin nt leri A,G,C ve timin yerine Udur. U T gibi A ile bağ oluşturur ve eşleşir. RNA DNA’dan farklı ama proteinlere benzer biçimde önemli biyolojik reaksiyonları katalizler Enzim gibi çalışan bu RNA moleküllerine ribozim adı verilir.

RNA’da bulunan modifiye bazlar RNAlar özellikle tRNA’lar transkripsiyon sonrası modifiye olurlar. Bu modifikasyonları yapan enzimler bazların kimyasal yapılarını değiştirerek yeni RNA-RNA ve RNA-protein etkileşimlerine neden olurlar. Dihidrouridin 7-metilguanozin 1-metiladenozin Psödouridin Ribotimin 1-metilguanozin 2-thiositidin 5-metilsitidin

RNA Sınıflandırması İki genel sınıfa ayrılır. Bu sınıflardan biri DNA’daki bilginin çözülmesine aracılık eder ve bu bilgi taşıyıcılarına messenger RNA denir çünkü postacı gibi bilgiyi DNAdan proteine geçişini sağlar Geride kalan diğer genler ise son ürün olarak RNA kodlar bunlara fonksiyonel RNA denir.

mRNA Bir genin fenotipi etkilemesine uzanan evrelere gen ekspresyonu denir Genlerin çoğu için RNA transkripti yalnızca protein sentezi için gerekli aracı bir moleküldür. Proteinler ise fenotipi etkileyen işlevsel ürünlerdir

İşlevsel RNA’lar RNA olarak aktif ve proteine dönüşmeyen RNA’lardır ve herbir sınıfı küçük bir grup gen tarafından kodlanır (birkaç 10-birkaçyüz maksimum). Çok az sayıda gen tarafından kodlanmalarına karşın bu RNA’lar hücrede toplam RNA’nın büyük bir kısımını oluştururlar çünkü hem kararlıdırlar hemde birçok kopyadan transkribe olurlar tRNA Translasyon sırasında doğru amino asiti mRNA’ya getirmekten sorumludur. rRNA Ribozomların en büyük bileşenidir ve ribozomlar büyük makromoleküler makinelerdir ve amino asit zincirlerinin sentezinin gerçekleştiriler. Small nuclear RNA’lar (snRNA) Ökaryot hücrelerinde RNA transkriptlerinin işlenmesine aracılık ederler tmRNA Ribozomların kırık mRNAlardan kurtulmasına yardım eden transfer-messenger RNA snoRNA rRNA olgunlaşma sürecine katkıda bulunur snRNA Ribonükleoprotein kompleksi oluşturarak intronların uzaklaştırılmasında görev alır (splaysing)

Transkripsiyon Genden proteine bilgi akışındaki ilk evre transkripsiyondur. Burada DNA segmentinin baz dizisine uyan RNA zinciri yapılır. Bazan bu RNA zinciri modifiye edilir. Transkripsiyonda DNA dizisi RNA’ya kopye edilir. Burada üretilen RNA’ya transkript denir.

DNA transkripsiyon Kalıbı Kromozomal bir parçanın transkripsiyonu gözönüne alınırsa ilk olarak iki DNA zinciri birbirinden ayrılır ve ayrılan zincirlerden biri RNA sentezi için kalıp görevini üstlenir.Kromozomun tamamı göz önüne alınırsa her iki zincirde kalıp olarak kullanılabilir ancak herhangi bir gen için sadece biri kullanılır ve bu gen için daima aynı zincir kalıp görevi görür. Sonraki aşama hücrenin başka bir yerinde sentezlenen ribonükleotidler kalıptaki kendilerine komplementer bazlarla kararlı eşler oluştururlar (A-U ile G-C ile). RNA pol emzimi ile herbir ribonükleotid kendisine komplementer bazla eş oluşturacak biçimde pozisyonalır. RNA pol DNA’ya tutulu bulunur ve onun üzerinden kayarak RNA zincirini uzatır. RNA sentezi de 5’-3’ yönündedir.Kalıp 3’-5’ yönünde sentez 5’-3’ yönündedir. RNA pol DNA üzerinde ilerledikçe DNA çift sarmalını açar ve transkribe olan kısım yeniden sarmal halini alır. Birtek DNA zincirinden birçok RNA molekülü elektron mikroskobunda görülebilir. rRNA genleri bu biçimde sentezlenir. Transkript ve kalıptaki nt ler komplementerdir dolayısıyla kalıp olmayan zincirle RNA dizisi aynıdır yalnızca T yerine U vardır. Kalıp olmayan zincire kod yada kodlayan zinciri adı verilir.

DNA RNA polimeraz enzimi aracılığıyla transkribe edilir Enzim DNA heliksini aktif merkezinde açarak DNA üzerinde basamak basamak hareket eder ve ilerledikçede ekspoze olan DNA zincirini kalıp olarak kullanıp nükleotideleri birer birer polimerizasyon bölgesinde RNA zincirine ekler. Dolayısıyla RNA transkripti iki DNA zincirinden birinin tek zincirli komplementer kopyasıdır.

Transkripsiyonun evreleri Bir genin protein kodlayan dizisi büyük bir DNA dizisi içerisine gömülmüş küçük bir parçadan oluşur. Bu küçük parça nasıl doğru biçimde tek zincirli DNA’ya kopya edilir? Kromozomun DNA’sı sürekli bir birim olduğuna göre transkripsyon makinesini başlangıcva yönlendiren, sonra onu kopyalayan ve bir noktada durduran etkenler nelerdir? Bu üç farklı evre başlangıç (initiation), uzama (elongation) ve sonlanma (termination) olarak adlandırılır.Pro ve ökaryotlarda transkripsiyon benzer olmasına karşın ayrıldıkları noktalar da vardır.Bu nedenle önce E.colide sonrada ökaryotlardaki trasnkripsiyonu açıklayacağız

Prokaryotlarda Başlangıç RNA pol doğru transkrispsiyon başlama noktasını nasıl bulmaktadır? Prokaryotlarda RNA pol transkribe olacak bölgenin başlangıcına yakın bir noktada yer alan ve promotor denen spesifik bir DNA dizisine bağlanır. Promotor bir genin düzenlendiği bölgenin (regülatör bölge) önemli bir bölümüdür.Kolay anlaşılması açısından bu bölümde yer alan şekillerde genellikle genin 5’ ucu sol 3’ ucu ise sağda olarak çizilir. Bu açıdan bakıldığında promotor sol başta yani genin başladığı noktanın solunda olacağından buraya 5’ ucundadır denir ve bu bölge 5’ regülatör bölge olarak da bilinir.

Prokaryotlarda Başlangıç Şekil 8.8b E.coli genomunda bulunan 7 farklı genin promotor dizilerini göstermektedir.Bu dizilerin hepsine aynı RNA pol’ın bağlandığı düşünülürse bu genlerin promotorlarındaki dizi benzerliği sizleri şaşırtmamalıdır. Her durumda iki bölgenin özellikle önemli ölçüde benzerlik gösterdiği gözünüzden kaçmamalıdır Bu bölgeler -35 ve -10 bölgeleridir (bu bölgeler transkripsiyona başlama noktasında 35 ve 10 nt geridedir (sarı ).Transkripsiyona başlama noktası +1 olarak benimsenir. Farklı genlerdeki bu bölgeler bütünüyle aynı değildir ama benzerdir bu nedenle bunlara konsensus dizi denir. E.coli prmotoru konsensus dizisi şekil 8.8b de en altta gösterilmektedir. RNA pol holoenzim DNA’da bu noktaya bağlanır ve çift sarmalı açmaya başlar ve sentezi gerçekleştirir. İlk transkribe olan baz aynı lokasyondadır ve initiation site (başlangıç yeri) ve +1 ile gösterilir. Şekil 8.8a’da transkripsiyon bir genin protein kodlayan dizisinden önce biryerde başlar (genellikle ATG dizisinde, bir sonraki bölümde göreceğiniz gibi burası translasyonun başladığı noktadır). Dolayısıyla transkript 5’ untranslated bölgeye sahip olur (translayona uğramayan bölge).

Prokaryotlarda Başlangıç DNA dizisini promotoru bulmak üzere tarayan RNA pol enzimi RNA pol holoenzim olarak adlandırılır. Bu çok birimli kompleks yapıdaki enzim 4 tane core enzim(çekirdek yada öz) altbiriminden (2 α, bir β ve bir β’) ve bir sigma faktörü (σ ) denen altbirimden oluşur σ faktörü -10 ve -35 bölgelerine bağlanır ve holoenzimin doğru pozisyonu almasını sağlar bu faktör ayrıca -10 bölgesinde DNA çift sarmalını ayırır ve core enzim buraya sıkı biçimde bağlanabilir. Core enzim bağlandıktan sonra transkripsiyon başlar ve σ bağlandığı yerden ayrılır. Diğer bakteriler gibi E.coli de birkaç σ faktörü içerir bunlardan biri σ70 (70kDa protein)dir ve birçok gen bu faktör yardımıyla transkribe edilir. Diğer σ faktörleri farklı promotorları tanır.Dolayısıyla aynı core enzim farklı σ faktörleri yardımıyla farklı dizileri transkribe edebilir.

Prokaryotlarda Uzama (elongation) RNA pol DNA boyunca hareket ettikçe önündeki DNA çift sarmalını açar ve transkribe olan bölgenin arkasında da sarmalı yeniden oluşturur.Bu yolla tek zincirli bir DNA bölgesinin varlığını sürekli korur buraya transkripsiyon halkası yada baloncuğu (bubble) denir bu bölgede transkribe olacak zincir RNA pol enzimine sunulur. Bu baloncuk içerisinde DNA kalıbı üzerinde bir sonra transkripsiyona maruz kalacak olan bazın karşısına komplementerlik varsa serbest NTPları ekler. Bu ekleme için gerekli enerji pirofosfatın ayrılmasından gelir DNA +Mg+ RNA pol NTP+ (NMP)n---------- (NMP)n+1+PPi Baloncuk içerisindekiRNA zincirine eklenen son 10 nt RNA-DNA hibridi oluşturur

Prokaryotlarda Sonlanma (termination) Bir genin transkripsiyonunun sonlanması proteini kodlayan segmentinin sonundan daha ilerde biter ve transkriptin sonunda 3’ untranslated bölge kalır (3’UTR). Elongasyon RNA pol genin sonlarından yer alan özel bir sonlanma sinyalini tanıyıncaya kadar devam eder Prokaryotlarda sonlanma sinyali veren 2 mekanizma vardır İntrinsic Rho bağımlı

İntrinsic mekanizma Sonlanma direkt olur sonlanma sinyali 40 bç den oluşur ve GC-zengin bir bölge 6 yada daha fazla A ile sonlanır. GC RNA transkriptinde C ve G vereceğinden buradaki RNA da GC zengin bir bölgedir ve bu bazlar aralarında hidrojen bağı kurarark saçtokası biçiminde bir yapı oluşturur. Bu halkasal yapı 8 tane U ile devam eder (DNA’da A lara karşılık gelir.

Rho bağımlı sonlanma Rho faktörü RNA pol enziminin sonlanma dizisini tanımasına aracılık eder ve bu RNA’ların uçlarında U birimleri bulunmaz ve saçtokası yapısı oluşturmazlar. Bunun yerine 40-60 arası C birimelri taşırlar ve az miktarda da G birimi yer alır.Ayrıca rut (rho utilization) denen upstream bir dizi bulunur. Rho hexamer yapıda bir proteindir ve 6 tane özdeş altbirim içerir ve rut dizisine bağlanır. Bağlanma sonucunda RNA pol RNA’dan ayrılır ve transkripsiyon biter.

Ökaryotlarda transkripsiyon Ökaryotlarda transkripsiyon temel olarak 3 nedenle karmaşıktır Genom büyüktür ve daha fazla gen vardır ayrıca nonkoding DNA bulunur. E.colide gen yoğunluğu bir milyon bç de 900 gen vardır, srke sindeğinde 1 milyon bç ne 110 gen insanda ise 9 gen düşer. Dolayısıyla başlangıç noktasını bulmak saman yığını içinde iğne aramaya benzer. Bu sorunu çözmek içinse ökaryotlarda farklı 3 sınıf RNA pol ve birçok proteinin başlangıç noktasında toplanması gerekir bu proteinlere genel transkripsiyon faktörleri denir. (GTF) RNA polI (5S rRNA hariç rRNA genlerini trnaksribe eder) RNA pol II bazı snRNA ve proteine dönüşecek tüm genleri yani mRNA sentezini RNA pol III küçük işlevsel RNAlar (tRNA, snRNA ve 5S rRNA) Ökaryotlarda nükelus bulunur RNA nükleusta sentezlenir ve daha sonra proteine dönüşmek üzere sitoplazmaya geçer bunedenle çeşitli modifikasyınlar geçirir.Buna RNA işlenmesi (processing) denir.5’ ucu 3’ ucu sentezlenirken değişime uğrar. İlk sentezlenen mRNA’ya pre-mRNA yada primer transkript denir. Olgunlaşmasını tamamlamış olan ise mRNA dır. Transkripsiyonda kalıp olarak kullanılacak olan DNA ökaryotlarda kromaitn biçiminde paketlenmiştir prokaryotlarda ise çıplaktır. RNA pol enziminin bu kapalı paketlenmiş DNAya girşi sağlanmalıdır.

Ökaryot Hücrelerinde Bulunan RNA Polimerazlar Polimerazın Tipi Transkribe ettiği genler RNA polimeraz I 5.8S, 18S ve 28S rRNA genleri RNA pol II Tüm protein kodlayan genler, snoRNA genleri ve bazı snRNA genleri RNA polIII tRNA genleri, 5S rRNA genleri, bazı snRNA genleri ve diğer küçük RNA genlerinin sentezi

Ökaryotlarda başlangıç RNA pol II enziminin çekirdeği (core) prmotoru tek başına tanıyamaz bunun için GTFleri gerekir bu proteinler RNA sentezinde görev almazlar ancak promotora bağlanarak RNA pol için çekim merkezi oluştururlar. GTFler TFIIA, TFIIB biçiminde gösterilirler GTF ve RNA pol II çekirdeği preinitiation compleksi (PIC) oluştururlar burada 6 tane GTF bulunur. Mayadan insana RNA pol konsesusu vardır ve kimerik RNA pol enzimleri çalışır formda elde edilmiştir. (kimera yunan mitolojisinde aslan başlı keçi vücutlu yılan kuyruklu ateş üfleyen yaratık) Ökaryot promotoru transkripsyona başalam noktasının 5’ucunda bulunur TATA box olarak adlandırlına bu bölge -30 da yer alır ve buraya TBP bağlanır TBP TFIID’nin bir bölümüdür. TBP bağlanması diğer GTF ve RNA pol II enzimini buraya çeker ve PIC oluşur.Başlamadan sonra GTFlerin çoğu ayrılır ve primer transkript uzatılır diğer GTFler başlangıçta kalır başka bir RNApol II buraya çekilebilir. RNA pol II enziminin beta altbirimi (carboxy tail domain-CTD)nin TFIIH tarafından fosforile edilmesiyle initiation sonlanır elongation başlar.

Transkripsiyona başlarken RNA pol genel transkripsiyon faktörlerine gereksinim duyar (TFIIA,TFIIB vs.) Promotordaki TATA box transkripsiyonun başlangıcından (+1) yaklaşık 25-30 nükleotid önde-upstream (-25) bulunur ve bu noktadan transkripsiyon başlar TATA box önce transkripsiyon faktör (TF) IID tarafından tanınır ve onun bağlanmasıyla buraya TFIIB bağlanır TFIID TATA box binding proteinin (TBP) bir bölümüdür Bu arada diğer TF’leri RNA pol üzerinde birikmeye başlar (TFIIF, TFIIH) Diğer TF’leri ve RNA pol II promotor üzerine yerleşir TFIIH ATP hidroliz enerjisini kullanarak iki DNA zincirini transkripsiyonun başlama noktasından ayırır Aynı zamanda RNA pol II’yi fosforile eder ve bu fosforliasyonla bazı TF’leri polimeraz üzerinde oturdukları yerden kalkarlar çünkü fosforilasyonla pol biçim değişikliği gerçekleştirir. Üzerindeki fazlalıklardan (TFleri) kurtulan RNA pol senteze başlar. RNA pol enziminin uzun C-terminal domaini hem fosfroliasyon hemde diğer faktörlerin biriktirilidiği bölgedir. Aynı zamanda fosforile olan kısım da buradadır çünkü bu bölge ardıl serin birimleri taşır. Bu şu anda kabul gören mekanızmadır. Başka bir görüşte tüm TF’lerinin pol üzerinde başka bir yerde biriktiği ve bu toplanan kompleksin promotora bağlanması ve transkripsiyonun başlaması biçimindedir. Genel TF’leri evrimsel süreçte oldukça korunmuş dizilerdir.

Ökaryotlarda sonlanma Ökaryot RNAsı sentezlenirken bir yandan da modifiye edilir ki bir sonraki bölümde anlatılacaktır