TIBBİ BİYOLOJİ - Genlerin Organizasyonu ve Aktivitesinin Düzenlenmesi PDF

TIBBİ BİYOLOJİ Genlerin organizasyonu ve aktivitesinin düzenlenmesi Prof. Dr. Fatma Filiz ARI  Farklı Canlılarda Kalıtsal Molekül Çeşidi (DNA veya RNA), sayısı (n, 2n, 3n), şekli (tek halkasal veya parçalı), büyüklüğü (baz, kbaz, Mbaz) organizasyonu (g...

TIBBİ BİYOLOJİ Genlerin organizasyonu ve aktivitesinin düzenlenmesi Prof. Dr. Fatma Filiz ARI  Farklı Canlılarda Kalıtsal Molekül Çeşidi (DNA veya RNA), sayısı (n, 2n, 3n), şekli (tek halkasal veya parçalı), büyüklüğü (baz, kbaz, Mbaz) organizasyonu (genlerin yerleşimi) farklılıklar göstermektedir. İnsan ve model organizmalarda genom büyüklüğü  Prokaryotlarda Kalıtsal molekül (???) Bakterilerde ---- tek ve halkasal yapıdadır (Nükleoid). Bakteriler halkasal/küçük ekstra kromozomal DNA (Plazmid) içerebilir.  Ökaryotlarda Kalıtsal Molekülün Organizasyonu Çekirdekte bulunur. DNA lineer yapıdadır ve sayısı organizmaya özgüdür. İnterfazda: Lineer DNA’lar Histon proteinleriyle etkileşen, Nükleozom adı verilen kıvrımlı yapıdadır (Kromatin ipliği). Metafazda: Kromatin iplikleri ekstra katlanıp kıvrılırlar (Kromozomlar). Ökaryotik hücrelerde Mitokondri ve Kloroplastlar kendilerine ait halkasal yapılı DNA’ya sahiptir. Sadece organellerin görevleriyle ilgili genler bulunur. Ökaryotlarda Kromozom sayısı türden türe değişkenlik gösterir Kromozom sayısı ile canlıların gelişmişlik düzeyi arasında bir ilişki yoktur. Önemli olan kromozomlardaki kalıtsal bilgilerdir (GENLER)  Canlıların farklı olmasını sağlayan genlerdir Her gen farklı bir proteini kodlar. Çok hücreli canlılar her hücresinde aynı genleri taşır. Hücrenin özelliğine göre bazı genler aktif, bazı genler inaktif durumdadır (Tiroit bezinde hormon yapımını kontrol eden gen, kas hücresinde vardır ancak işlevsizdir. Yapısal genler ise canlının her hücresinde aktiftir. Hücreye gerekli proteinlerin üretimi, ihtiyaç bitince üretimin durması, farklı hücrelerin kendine özgü proteinleri sentezlemesi çeşitli mekanizmalar ile düzenlenir.  Gen ve Genomun tanımı GEN: Bir canlıya ait karakterlerden sorumlu olan, belirli başlangıç ve sonlanma noktaları bulunan DNA dizileri GENOM: Bir canlının DNA’sındaki nükleotid dizilerinin tümü (Ökaryotlarda haploid kromozomlarda ve organellerdeki DNA dizileri) E. coli Kromozomunun gen haritası  DNA’daki nükleotid dizi çeşitleri 1-Tekrarlanmayan diziler (Genomda tek kopya olarak bulunur) Yapısal genler: Canlıya özgü yapısal karakterlerin ortaya çıkmasını sağlayan proteinleri kodlayan diziler Düzenleyici genler: Yapısal/RNA genlerinin hangi hücrede/ne zaman ifade edileceğini (ekspresyonunu) belirleyen “düzenleyici proteinleri” kodlayan diziler 2-Tekrarlanan diziler (Genomda çok kopya olarak bulunur) Orta derecede tekrarlanan diziler: Kopya sayıları10-100 adet Tekrarlanan birimler kısa (200-500 bp) veya uzun (1000-5000 bp) İSTİSNA (Yapısal genlerden Histon genleri ve tRNA ile rRNA genleri) B. Yüksek derecede tekrarlanan diziler: 4 6 Kopya sayıları 10 -10 Tekrarlanan birimler kısa, genomda ardışık ve yaygın Gen kapsamına girmez, transkript edilmez, proteine çevrilmez. (Bu diziler önce hurda DNA dizileri olarak tanımlanmış ancak kuşaklar boyu devamlılıkları organizmaya avantaj kazandırdıklarını işaret etmiş) 1. Ardarda tekrar dizileri 2. Aralara serpiştirilmiş tekrar dizileri  1--- Ardarda Tekrarlanan Diziler (satellit DNA) DNA’da çok kez ve ardarda tekrarlı nükleotid dizilerinin olduğu bölgelere SATELLİT DNA denir. 2-200 bp’lik diziler bin-milyonlarca kez tekrar eder. İnsan genomunun %10’unu oluşturur. 1- Sentromerik Diziler/CEN (α satellit 171 bp) Kromozomların sentromer bölgesinde bulunan dizilerdir Hiçbir zaman transkript edilmez Bölünmede kromozomların iğ ipliklerine tutunmasında rol alır 2- Telomerik Diziler Kromozomların uçlarında bulunur (İnsanda AGGGTT tekrarı) Hiçbir zaman transkript edilmez Kromozom uçlarında kararlılık sağlar 3- Mini ve Mikro Satellit Dizileri (tüm genoma (ekzon-intron-gen dışı) dağılmış kısa tekrarlar) Prokaryot ve ve ökaryotlarda yaygındırlar Minisatellit Diziler (13 bp) ve Mikrosatellit Diziler (2-4 bp) Ardarda tekrarlar değişken sayıdadır = Polimorfik (Variable Number of Tandem Repeat = VNTR) Tüm canlılarda aynı türün bireyleri farklı sayıda dizi tekrarı taşıdığı için Moleküler DNA Parmak İzi olarak kabul edilir Mikrosatellitler Adli Tıpta birey tespitinde, Klinik tıpta hastalık tanısında, gen etiketlemede, popülasyon genetiği, evrimsel biyoloji ve filogenetik çalışmalarında kullanılan en popüler moleküler belirteçlerdir Kodlama bölgelerindeki mikrosatellitlerin en iyi bilinen örnekleri, insanlarda genetik hastalıklara neden olanlardır Kromozom 6’nın kısa kolunda bulunan mikrosatellitler PCR ile çoğaltılmış, ürünler floresan boyalarla işaretlenmiş ve jelde yürütülerek ayrıştırılmıştır. Her sütun, farklı bir kişinin genetik profilini göstermektedir. Mini ve mikro satellit hastalıkları ??????  2---- Aralara Serpiştirilmiş Tekrar Dizileri Prokaryot ve Ökaryot canlılarda mevcut İnsan genomik DNA’sının ~%45’ini oluşturur Bazıları genom içinde hareket edebilir, farklı yerlere gittiğinde mutasyonlar yaratabilir (Transpozonlar = Jumping genes) Hepsinin işlevleri tam olarak bilinmiyor - Bazıları genetik çeşitliliği arttırmada ve evolüsyonda rol almış - Bazıları da, gen ekspresyonu düzenlemesine katılıyor olabilir kısa dizi tekrarları = SINE (short interspersed elements) 100-300 bp uzunluğunda, ~1.5 milyon kopya İnsan genomunun ~%13’ünü oluşturur uzun dizi tekrarları = LINE (short interspersed elements) 6000 bp uzunluğunda, ~1 milyon kopya İnsan genomunun ~%21’ini oluşturur Retrotranspozonlar - Genomda ters transkripsiyon ile hareket ederler. - 2-10 kb uzunlukta - İnsan genomunda ~ 450 bin tane - İnsan DNA’sının ~ %8’ini oluşturur. Psödogenler Mutasyon sonucu protein kodlama özelliğini kaybetmiş kodlamayan dizilerdir GENOMİK Nedir? J. Craig Venter & Francis Sellers Collins Sadece kolay olanı yapmaya gönüllüyseniz, HAYAT gittikçe zorlaşır...  Gen ifadesi neden kontrol edilir? RNA ve protein yapmak çok fazla enerji gerektirir. Bu nedenle, - Sadece her zaman ihtiyaç duyulan proteinleri kodlayan genler her zaman aktiftir. - Diğer proteinleri kodlayan genler ise sadece ihtiyaç duyulduğunda aktif hale gelirler.  Gen ifadesinin regülasyonu/ düzenlenmesi Prokaryotlarda, gen ifadesi transkripsiyon düzeyinde kontrol edilir: Bir protein sentezlendikten sonra, yeniden gerekene kadar bu genin transkripsiyonu kapatılır ve mRNA yapılmaz. Ökaryotlarda, gen ekspresyonunun regülasyonu, birçok farklı seviyede kontrol edilir: Transkripsiyonel kontrol (en önemli kontrol) Post-Transkripsiyonel modifikasyonlar mRNA transport Translasyonel kontrol Post-Translasyonel modifikasyonlar Ökaryotik Gen ifadesi regülasyon basamakları  Prokaryot/Ökaryot Gen İfadesi Temel Kuralı Gelişimin ya da hayat döngüsünün herhangi bir aşamasında bir hücrede ifade edilen gen ürünlerinin miktarı ve ifade zamanı geri döndürülebilen mekanizmalar ile kontrol edilir. 1. Sürekli üretilmeyen bir ürünün yapımının uyarılması (indüklenmesi) - İNDÜKLENEBİLİR sistem: Hücre, bir ürünü ihtiyacı olduğu durumlarda üretebilir. 2. Sürekli olarak yapılan bir ürünün üretiminin baskılanması - BASKILANABİLİR sistem: Genellikle hücre bir ürünü üretir, ancak ürüne ihtiyacı yoksa üretimi durdurur. Prokaryot/Ökaryot Promotor Bölgeleri  Prokaryotik Gen Transkripsiyonun Düzenlenmesi OPERON: Tek promotorun kontrolünde olan ve aynı metabolik işlevde rol alan proteinleri kodlayan genlerin grup olarak transkript edilmesini düzenleyen bir sistemdir (Bir polisistronik mRNA ve onun düzenleyici elementlerinden oluşur). Operon’un bileşenleri Promotor: RNA polimerazın transkripsiyonu başlatmak üzere DNA’ya bağlandığı özel bölgedir: Türler arasında korunmuş (konsensus) diziler içerir, promotör dizisindeki mutasyonlar gen ifadesini önemli biçimde azaltır/ artırır. Operatör: Yapısal genlerin transkripsiyonunu denetleyen DNA dizisi Yapısal genler: mRNA’da protein kodlayan diziler. Repressör: Operatöre bağlanarak transkripsiyonu önleyen Prokaryotik OPERON Şeması Prokaryotik Gen Aktivitesinin Düzenlenmesi Bazı operonlar inducible yani belirli moleküllerin varlığında ‘aktif’ olur, bazıları ise repsessible yani normalde ‘aktif’ iken bazı moleküllerin varlığında ‘inaktif’ olur. lac operon, laktoz metabolizması (yıkımı) için gerekli enzimleri kodlayan operon, indüklenebilir bir operondur, sadece ortamda laktoz varken ‘aktif’ olur. trp operon, triptofan aa’nin sentezi (üretilmesi) için gerekli enzimleri kodlayan operon, repressible bir operondur. Eğer ortamda yüksek miktarda triptofan varsa repress edilir. Bazı genler ise housekeeping gen’lerdir ve her koşulda sürekli ekspres edilir  E. coli’de Laktoz Operonun Yapısı Repressör β-galaktosizdaz: Laktozu glukoz ve galaktoza ya da allolaktoza katabolize eder. Permeaz: Laktozun hücreye alınmasını sağlar. Transasetilaz: Laktoz metabolizması sonucu açığa çıkan atıkların uzaklaştırılmasını sağlar. Ortamda Laktoz yoksa : Lac I geninin kodladığı repressör protein, operatör bölgeye bağlanır ve RNA polimerazın ilerlemesini engeller. Ortamda Laktoz varsa : Repressör protein, allosterik (şekil değiştirme) özelliğe sahiptir ve “inducer” (laktoz) için bağlanma bölgesine sahiptir. Laktoz ile bağlandığında operatöre bağlanamaz ve RNA polimeraz mRNA’daki genlerin transkripsiyonunu gerçekleştirir. E. coli’de Triptofan Operonu Triptofan Metabolizmasının Kontrolü Ökaryotlarda Gen ifadesinin Düzenlenmesi Vücuttaki her hücre aynı DNA’ya sahiptir olduğuna göre hücreler nasıl birbirinden farklı olabilir ? Ökaryotlarda büyüme ve gelişme ile çok fazla hücre çeşidi oluşur. Hücre farklılaşması ile dokular oluşurken her hücrede seçici genler aktive olur (pankreas hücreleri retinal pigmet yapamazken, retinal hücreler de insülin üretemez). Bazı genler kişinin yaşamı boyunca aktifken bazı genler belirli dönemlerde aktiftir, bazıları ise tamamen kapanır. Housekeeping genleri tüm hücrelerde her zaman aktiftir. Omurgalılarda, hormonlar da seçici gen aktivitesinde önemli rol oynar (Prolaktin hormonu süt bezlerinin, FSH dişide foliküllerin, erkekte ise seminifer tübüllerindeki spermatogonium hücre aktivitesinden sorumludur). Bir genin kendisi yapısal olarak normal olsa bile, yanlış hücrede, yanlış zamanda ve anormal miktarda ifade edilmesi, sağlıksız bir fenotipe neden olabilir. KC kandan alkolü, hücrelerindeki alcohol dehydrogenase enzimi sayesinde alkolü parçalayarak uzaklaştırır ve bu gen aktiftir. Ancak nöronlar toksinleri vücuttan atmadıklarından bu genler ya ekspres edilmez ya da ‘kapalı’ dır. Benzer olarak KC hücreleri de nörotransmiterler ile sinyal yollamazlar ve onlarda da bu genler kapalıdır.  Hücreler hangi geni aktifleştireceğini nereden bilir? Bu hücre içi ve hücre dışından gelen bilgilere bağlıdır; Hücre içinden: Anneden kalıtılan proteinlere, DNA’nın hasarlı olup olmamasına ve ATP miktarına göre değişir. Hücre dışından: Diğer hücrelerden gelen kimyasal sinyallere (büyüme hormonu vb), ekstraselüler matriksten gelen mekanik sinyallere ve besin miktarına göre değişir.  Ökaryotik ve Prokaryotik Gen-Aktivite Farklılıkları Ökaryotlardaki gen sayısı, prokaryotlardan çok fazladır. Ökaryotik DNA, histonlarla kompleks oluşturur, prokaryotlarda histonlar bulunmaz. Ökaryotlardaki DNA-histon protein kompleks oluşumu, gen aktivitesinin regülasyonunda açma-kapama düğmesi gibidir (transkripsiyona açık gen bölgesinde kompleks gevşer- transkripsiyona kapalı gen bölgesinde kompleks sıkıdır), prokaryotlarda gen açma-kapama işini operatörler yapar. Ökaryotlarda genler birden fazla kromozom üzerinde taşınır. Bu kromozomlar, çekirdek içinde yer alırlar. Prokaryotlar çekirdeksizdir ve sirküler yapıdaki bir adet DNA üzerinde taşınır.  Transkripsiyon ile translasyon ökaryotlarda farklı zamanlarda ve hücre kompartmanlarında (Transkripsiyon çekirdekte- translasyon sitoplazmada) gerçekleşir. Prokaryotlarda ikisi de sitoplazmada gerçekleştirilir. Ökaryotlarda gen transkripti sitoplazmaya geçmeden bazı işlemlerden (intron çıkarma, ön ve son uç modifikasyonu) geçer. Prokaryotlarda intron bölgeleri yoktur. Ökaryotlarda mRNA yapısı daha kararlıdır (yarı ömrü daha uzundur) ve translasyon sonrası kontrol daha yaygındır. Prokaryotlar tek hücreli canlılardır ve mRNA’larının daha hızlı bozunması, çevresel değişimlere hızlı cevap oluşturmalarını sağlar. Prokaryotlarda bütün genler tek bir RNA polimeraz tarafından transkript edilirken, ökaryotlarda 3 tip RNA polimeraz bulunmaktadır Ökaryotlarda mRNA’ların transkripsiyonundan sorumlu olan RNA pol II enzimi, prokaryotlardaki eşleneğine göre çok daha komplekstir ve gen ifadesinin düzenlenmesinde görev alır.  Transkripsiyon düzeyinde Prokaryotik ve Ökaryotik Gen İfade Kontrolü