DNA ve DNA Replikasyonu PDF

DNA ve DNA Replikasyonu Dr. Hilal Eren Gözel I. Okan Üniversitesi Genetik Materyalimiz DNA! Kalıtsal bilgiler DNA'nın kimyasal dilinde kodlanır ve vücudumuzun tüm hücrelerinde yeniden üretilir. Bu kalıtsal bilgi, bir canlıya ait birçok farklı özellik çeşidinin ortaya çıkmasını yöneten bir...

DNA ve DNA Replikasyonu Dr. Hilal Eren Gözel I. Okan Üniversitesi Genetik Materyalimiz DNA! Kalıtsal bilgiler DNA'nın kimyasal dilinde kodlanır ve vücudumuzun tüm hücrelerinde yeniden üretilir. Bu kalıtsal bilgi, bir canlıya ait birçok farklı özellik çeşidinin ortaya çıkmasını yöneten bir DNA programıdır.  5’ end O OH P Hydrogen bond –O 3’ end O OH O T A O O CH2 O P –O O O– O P O H2C O O Phosphodiester bond G C O O CH2 O P –O O O– O P O H2C O O C G O O CH2 O P O –O O– O P O H2C O O A T O CH2 OH 3’ end O O– P O O (b) Partial chemical structure Figure 16.7b 5’ end DNA Replikasyonu Çoğu ökaryotik hücrede DNA replikasyonu, yalnızca hücre bölünme döngüsünün DNA sentez fazı veya S fazı olarak adlandırılan belirli bir kısmı sırasında meydana gelir. DNA'nın iki zinciri birbirini tamamlayıcı olduğu için: Her iplikçik (zincir), replikasyonda yeni bir iplikçik oluşturmak için bir şablon (template) görevi görür. DNA replikasyonunda Ana molekül gevşer ve baz eşleştirme kurallarına göre iki yeni yavru iplik oluşturulur. DNA Replikasyonu  Replikasyonun amacı nedir?  First Second Parent cell replication replication Conservative model. The two parental strands reassociate after acting as templates for new strands, thus restoring the parental double helix. Semiconservative model. The two strands of the parental molecule DNA Replikasyonu separate, and each functions as a template for synthesis of a new, comple- mentary strand. Dispersive model. Each strand of both daughter mol- ecules contains a mixture of **İleri Okuma Önerisi: old and newly synthesized Meselson–Stahl deneyi DNA. Figure 16.10 a–c DNA Replikasyonu  DNA Replikasyonu yarı-korunumludur (semiconservative)  İki yeni yavru molekülün her biri, ana molekülden türetilen bir eski zincire ve bir yeni yapılmış zincire sahiptir. Replikasyon Orijini DNA molekülünün replikasyonu, iki zincirin ayrıldığı replikasyon orijinleri adı verilen özel bölgelerde başlar. Bir ökaryotik kromozom, yüzlerce hatta binlerce replikasyon orijinine sahip olabilir. Bununla birlikte, bakteri genomu daireseldir ve tek bir orijine sahiptir. Replikasyon Orijini DNA replikasyonunu başlatan başlatıcı (initiator) proteinler bu diziyi tanır ve DNA'ya bağlanır, hidrojen bağlarını kırar, iki ipliği ayırır ve bir replikasyon "baloncuğu" açar. Başlatıcı proteinler, çift sarmalı bağlayarak ve açarak, DNA replikasyonunu gerçekleştiren bir grup proteini de o bölgeye çeker. Bu proteinler, her proteinin belirli bir işlevi yerine getirdiği bir Replikasyon kompleksini oluşturur. DNA'nın replikasyonu, tüm molekül kopyalanıncaya kadar her iki yönde de ilerler. Replikasyon Orijini Bir replikasyon balonunun her iki ucunda, DNA'nın ebeveyn ipliklerinin çözüldüğü Y şeklinde bir bölge olan bir replikasyon çatalı (fork) bulunur. Her çatalda, bir replikasyon kompleksi; DNA boyunca hareket eder, çift sarmalın iki ipliğini açar ve her bir ipliği yeni bir yavru iplik yapmak için bir şablon olarak kullanır.  Replikasyon Orijini Origin of replication Parental (template) strand 0.25 µm Daughter (new) strand 1 Replication begins at specific sites where the two parental strands separate and form replication bubbles. Bubble Replication fork 2 The bubbles expand laterally, as DNA replication proceeds in both directions. 3 Eventually, the replication bubbles fuse, and synthesis of the daughter strands is complete. Two daughter DNA molecules (a) In eukaryotes, DNA replication begins at many sites along the giant (b) In this micrograph, three replication DNA molecule of each chromosome. bubbles are visible along the DNA of Figure 16.12 a, b a cultured Chinese hamster cell (TEM). Problem #1 Tüm DNA zinciri nasıl açılır ve zincirlerin tekrar bağ yapması (kapanması) nasıl engellenir? DNA Replikasyonu İki tip replikasyon proteini - DNA helikazlar ve tek zincirli DNA bağlayıcı proteinler (single-strand DNA- binding proteins-SSDBP)- bu görevi gerçekleştirmek için işbirliği yapar. DNA Replikasyonu sırasında, gelen nükleosit trifosfatların şablon iplikle baz çiftleri oluşturabilmesi için, çift sarmalın replikasyon çatalının önünde (ilerisinde) açılması gerekir. Helikazlar replikasyon çatallarındaki çift sarmalı çözen, iki ana ipliği ayıran ve onları şablon iplikler olarak kullanıma sunan enzimlerdir. DNA Replikasyonu Helikaz, Replikasyon kompleksinin en önünde bulunur ve ATP hidroliz enerjisini kullanarak kendini ileriye doğru iterken, DNA zincirlerini de birbirinden uzaklaştırmış olur. DNA Replikasyonu Tek iplikli DNA bağlayıcı proteinler, helikaz tarafından açığa çıkarılan tek iplikli DNA'ya, (bazları örtmeden) sıkıca bağlanır ve iplikçiklerin baz çiftlerini yeniden oluşturmasını geçici olarak önler. Replikasyon Kompleksi (Replication Machinery) Sliding clamp (kayan kelepçe) adı verilen ek bir replikasyon proteini, yeni DNA ipliklerini sentezlerken DNA polimerazı şablona sıkıca bağlı tutar. Kendi başlarına bırakılan DNA polimeraz moleküllerinin çoğu, DNA zincirinden düşmeden önce yalnızca kısa bir nükleotid dizisini sentezleyebilir. Sliding clamp, yeni oluşan DNA çift sarmalının etrafında bir halka oluşturur ve polimerazı sıkıca kavrayarak, enzimin yeni DNA'yı sentezlerken düşmeden iplik boyunca hareket etmesine izin verir. Replikasyon Kompleksi Problem #2 Sarmal bir molekül, fermuar gibi açıldığında bir gerilim yaratır ve bu gerilim molekülü kırabilir!!! DNA Replikasyonu Ana iplikler ayrıldıktan sonra, tek iplikli bağlayıcı proteinler, eşleşmemiş DNA ipliklerine bağlanarak yeniden eşleşmelerini engeller. Topoizomeraz, DNA zincirlerini kırarak, döndürerek ve yeniden birleştirerek oluşan gerginliğin hafifletilmesine yardımcı olur. Bu enzimler, DNA omurgasında gerilimi geçici olarak serbest bırakan çentikler üretir; daha sonra DNA'dan düşmeden önce çentiği yeniden mühürlerler. DNA Replikasyonu https://www.youtube.com/watch?v=EYGrElVyHnU - Video 1 Problem #3 DNA polimeraz template’e (şablona) kendi başına bağlanamaz! DNA Replikasyonunun Başlaması DNA'yı sentezleyen enzimler, bir polinükleotidin sentezini başlatamazlar; nükleotidleri yalnızca, şablon iplikle baz çifti olan, halihazırda var olan bir zincirin sonuna ekleyebilirler. DNA sentezi sırasında üretilen ilk nükleotid zinciri, aslında DNA değil, kısa bir RNA dizisidir. Bu RNA zincirine primer denir ve primaz enzimi tarafından sentezlenir. DNA Replikasyonunun Başlaması Primaz, RNA nükleotidlerinden tamamlayıcı bir RNA zinciri başlatır ve ebeveyn DNA zincirini bir şablon olarak kullanarak RNA nükleotidlerini birer birer karşı zincire ekler. Genellikle 5-10 nükleotid uzunluğundadır. Yeni DNA zinciri, RNA primerinin 3 ucundan uzatılacaktır. Yeni DNA Zincirinin Elongasyonu (Uzaması) Yeni DNA'nın bir replikasyon çatalında uzaması, büyüyen bir ipliğin 3ʹ ucuna nükleotidler ekleyen DNA polimeraz adı verilen enzimler tarafından katalizlenir. (Replikasyon kompleksinin kalbi!) New strand Template strand 5’ end 3’ end 5’ end 3’ end Sugar A T A T Phosphate Base C G C G G C G C A T A P P OH C Pyrophosphate 3 end C OH 2 P Figure 16.13 5’ end 5’ end Yeni DNA Zincirinin Elongasyonu (Uzaması) Polimerizasyon, büyüyen DNA zincirinin 3ʹ ucu ile gelen nükleotidin 5ʹ-fosfat grubu arasında, reaksiyona bir deoksiribonükleosit trifosfatın fosfodiester bağını oluşturması ile oluşur. Polimerizasyon için gereken enerji, gelen deoksiribonükleosit trifosfatın kendisi tarafından sağlanır: yüksek enerjili fosfat bağlarından birinin hidrolizi ile, nükleotid monomeri zincire bağlanır ve pirofosfat reaksiyondan serbestleşir. Yeni DNA Zincirinin Elongasyonu (Uzaması) deoksiribonükleosit trifosfat Yeni DNA Zincirinin Elongasyonu (Uzaması) Ökaryotlarda replikasyon için şimdiye kadar 15 farklı DNA polimeraz keşfedildi. Ökaryotik DNA pol.’lar Grek alfabesi ile yazılır (DNA pol α, β, γ, δ, ε, ζ, η, θ, ι, κ, λ, μ, ν), İkisi Hariç: terminal transferaz ve Rev1. Bakteriyal DNA pol.’lar Roma rakamları ile ifade edilir (DNA pol I, II, III, IV ve V).  Antiparallel Elongation Ökaryotlarda 3 pol işlevseldir: DNA pol α DNA Replikasyonunu başlatır, DNA pol ε leading strand sentezi yapar, ve DNA pol α ve DNA pol δ lagging strand sentezi yapar. Kalan polimerazlar DNA tamir mekanizmalarında görev alır. Problem #4 Antiparalel Elongasyon aksayan zincirde fragmentler oluşturur!  DNA’nın antiparalel yapısı, Replikasyonu etkiler mi?  https://www.youtube.com/watch?v=TNKWgcFPHqw  Video 2  Antiparalel Elongasyon  DNA polimerazlar, nükleotidleri yalnızca büyüyen bir zincirin serbest 3 ucuna ekleyebilir.  Böylece DNA’nın yeni oluşan zincirlerinden birisi, (helikaz ile aynı yönde uzayan) kesintisiz bir şekilde uzarken (Kesintisiz veya Öncü zincir veya Leading Strand), diğer zincir helikazın zinciri açmasını ve primazın primer eklemesini beklediğinden kesintili olarak sentezlenir (Kesintili veya Aksayan zincir veya Lagging Strand). Antiparalel Elongasyon Antiparalel Elongasyon – Video 2  Antiparalel Elongasyon  Aksayan zincir, daha sonra DNA ligaz ile birleştirilen Okazaki fragmanları adı verilen bir dizi segment içerir!  DNA Replikasyonunun Özet Videosu https://www.youtube.com/watch?v=Qqe4thU-os8 Problem #5 Aksayan zincirin başlangıç noktası eksik kalıyor!  DNA Molekülünün Uçları  Hücrenin DNA'sında, DNA polimerazların ne kopyalayabildiği ne de tamir edebildiği küçük bir kısım vardır.  Ökaryotik kromozomların DNA'sı gibi lineer DNA için, bir DNA polimerazın önceden var olan bir polinükleotidin yalnızca 3' ucuna nükleotidler ekleyebilmesi, kromozomun uçlarında soruna yol açar.  DNA Molekülünün Uçları  Standart bir replikasyon mekanizması, yavru DNA ipliklerinin 5' uçlarını tamamlamanın bir yolunu sağlamaz.  Bir Okazaki fragmanı, şablon zincirin en ucuna bağlı bir RNA primeri ile başlatılabilse bile, bu primer bir kez çıkarıldığında, nükleotit ilavesi için uygun 3' ucu olmadığından o bölgeye nükleotid eklenemez.  Böylece, ökaryotik kromozomal DNA'nın uçları, her replikasyon turunda kısalır.  5’ End of parental Leading strand DNA strands Lagging strand 3’ Last fragment Previous fragment RNA primer 5’ Lagging strand 3’ Primer removed but Removal of primers and cannot be replaced replacement with DNA with DNA because where a 3’ end is available no 3’ end available for DNA polymerase 5’ 3’ Second round of replication 5’ New leading strand 3’ New lagging strand 5’ 3’ Further rounds of replication Shorter and shorter Figure 16.18 daughter molecules  Telomerler!  Ökaryotik kromozomal DNA moleküllerinin uçlarında telomer adı verilen özel nükleotid dizileri bulunur.  Telomerler gen içermez; bunun yerine, DNA tipik olarak bir kısa nükleotid dizisinin çoklu tekrarlarından oluşur.  Telomerler!  Her insan telomerinde, altı nükleotid dizisi (TTAGGG), 100 ila 1.000 kez tekrarlanır.  Telomerik DNA, organizmanın genlerini koruyan bir tür tampon bölge görevi görür.  Telomerler, DNA moleküllerinin uçlarına yakın yerlerde bulunan genlerin aşınmasını erteleyerek koruyucu işlevlerini yerine getirirler.  Telomeraz!  Telomeraz adı verilen bir enzim, ökaryotik germ hücrelerinde telomerlerin uzamasını katalize eder, böylece orijinal uzunluklarını eski haline getirir ve DNA replikasyonu sırasında meydana gelen kısalmayı telafi eder.  Telomeraz, çoğu insan somatik hücresinde aktif değildir, ancak germ hücrelerindeki aktivitesi -özellikle zigotta- maksimum uzunlukta telomerlerle sonuçlanır. Telomeraz! Telomerease!  Klinik İlgi: Kolorektal Kanser  Kolorektal kanser (Colorectal cancer – CRC) her yıl bir milyondan fazla yeni vaka ile en sık teşhis edilen üçüncü kanser türüdür.  İyileştirilmiş tedaviler, artan farkındalık ve erken teşhis uzun süreli sağ kalıma katkıda bulunmuş olsa da, CRC hala kanserle ilişkili ölümlerin önemli bir nedenini temsil etmektedir. Amerikan Kanser Derneği İstatistikleri, 2024  Klinik İlgi: Kolorektal Kanser  Telomeraz kompleksinin katalitik bileşeni olan telomeraz ters transkriptazın (TERT) aktivasyonu, telomerlerin uzunluğunu koruyarak kanser hücrelerinin süresiz olarak büyümesini sağlar ve böylece tümör oluşumunu/ilerlemesini destekler.  Böylece Telomerlerin erozyonun engellenmesi veya telomeraz aktivasyonunun artması (esas olarak hücre çoğalması nedeniyle), CRC'de karsinogenezinde rol oynayan APC (tümör supresör protein) ve MSH2 (DNA tamir proteini) gibi genlerdeki spesifik değişikliklerle hızlandırılabilir.  Klinik İlgi: Kolorektal Kanser  CRC'de telomer uzunluğunun prognostik rolü hala tartışılmaktadır.  Birkaç çalışma, TERT'nin hastalık ilerlemesiyle arttığını göstermektedir ve çoğu çalışma telomerazın yararlı bir prognostik faktör olduğunu ileri sürmektedir.  Plazma TERT mRNA'sı ayrıca hastalık ilerlemesinin ve tedaviye yanıtın izlenmesi için umut verici bir belirteç olabilir.  Referanslar & Teşekkürler! Bertorelle R, Rampazzo E, Pucciarelli S, Nitti D, De Rossi A. Telomeres, telomerase and colorectal cancer. World J Gastroenterol. 2014 Feb 28;20(8):1940-50. doi: 10.3748/wjg.v20.i8.1940. PMID: 24616570; PMCID: PMC3934464. American Cancer Society. Cancer Facts & Figures 2024. Atlanta: American Cancer Society; 2024.