DNA PAKETLENMESİ.pdf

DNA’NIN PAKETLENMESİ VE KROMOZOM DR. ÖĞR. ÜYESİ: SEVİDE ŞENCAN ŞEYH EDEBALİ TIP FAKÜLTESİ TIBBİ BİYOLOJİ ANABİLİM DALI GENOM ŞEKİLLERİ VE KONUMLARI VİRAL GENOM YAPISI Ökaryotlarla karşılaştırıldığında daha basit ve tek bir nükleik asit molekülünden oluşur ve proteinlerle paketlenmiş değildir. Virüs...

DNA’NIN PAKETLENMESİ VE KROMOZOM DR. ÖĞR. ÜYESİ: SEVİDE ŞENCAN ŞEYH EDEBALİ TIP FAKÜLTESİ TIBBİ BİYOLOJİ ANABİLİM DALI GENOM ŞEKİLLERİ VE KONUMLARI VİRAL GENOM YAPISI Ökaryotlarla karşılaştırıldığında daha basit ve tek bir nükleik asit molekülünden oluşur ve proteinlerle paketlenmiş değildir. Virüs genomu DNA yada RNA’dan oluşan tek veya çift iplikli, doğrusal veya halkasal olabilir. Viral genom kafa yapısı içerisine sığacak şekilde paketlenir. Konakçı hücreye salınana kadar genetik materyal işlevsel olarak durgundur. BAKTERİYEL GENOM YAPISI Bakterilerde daima çift zincirli DNA molekülünden oluşan nükleoid olarak adlandırılan bölgede yer alırlar. Şekildeki E. Coli 1.2mm uzunluğunda büyük halkasal bir genetik materyale sahiptir. Bakteri kromozomlarını oluşturan DNA’nın çeşitli tiplerde DNA bağlanma proteinleri ile ilişkili olduğu bulunmuştur. Bu proteinlerden HU ve H küçük boyutlu fakat bol miktarda hücrede bulunur. Bunlar DNA’daki (-) yüklü fosfat gruplarına iyonik bağlarla bağlanan (+) yüklü aa.’lerden bolca içermektedir. Bakteriyel kromozomlar virüslerin aksine, işlevsel olarak durgun değildir. Transkribe ve translasyona uğrar, replikasyon yapabilirler. VİRAL VE BAKTERİYEL DNA’LARDA ÜSTÜN KIVRILMA (SUPERCOILING) YAPISI Ökaryotlarda Kromatin Yapısı ve DNA’nın Paketlenmesi (Kromozom Oluşumu) Genetik materyal olan DNA molekülü, ökaryotik hücrelerde hücre döngüsünün farklı evrelerinde farklı organizasyon düzeylerinde bulunur. Hücrenin fonksiyonel olarak aktif olduğu interfaz evresinde genetik materyal çekirdek içini tamamen dolduracak şekilde dağılmıştır. DNA molekülü bu evrede bir takım proteinlerle çok özel bir kompleks oluşturmuştur ve kromatin ağı şeklindedir. Mitoz başladığında her bir kromatin yaklaşık olarak 10.000 kez yoğunlaşarak kromozom şeklini alır (insanda 46 adet kromatin ipliği 46 adet kromozomu oluşturur). Kromatin, histon ve histon harici (nonhiston) birtakım proteinler ve DNA molekülünden oluşmuş bir nükleoprotein (nükleik asit-protein) kompleksidir. Histon (H) proteinleri  Histonlar kromozomların majör protein içeriğini oluştururlar.  Küçük molekül ağırlıklı ve yüksek oranda (%20-30) arginin, lizin gibi bazik amino asitleri içerdikleri için bazik özellikte olup, bu özellikleri sayesinde asidik özellikteki DNA’ya sıkı şekilde bağlanan proteinlerdir.  İçerdikleri bazik amino asitlerin oranına göre 5 çeşittirler (H1, H2A, H2B, H3 ve H4). H1 hariç kromatin yapısında dimerler (çiftler) halinde bulunurlar (mayalarda H1 yoktur).  Fosforilasyon, metilasyon ve asetilasyon gibi modifikasyonları DNA ile olan etkileşimlerini değiştirir. Böyle modifikasyonlar genelde DNA replikasyonu, gen ekspresyonu, kromatin kondenzasyonu/dekondenzasyonu (kromatinin yoğunlaşması/gevşemesi suretiyle kromatinin yeni düzenlemelere uğraması –remodeling-) ve hücre bölünmesi gibi biyolojik işlevlerin düzenlenmesi ile ilişkilidir. Ac : Asetilasyon Me: Metilasyon P : Fosforilasyon Ub: Yubikitinasyon P P P P P DNA P Farklı histonları farklı renklerde gösteren nükleozom protein çekirdeğin üç boyutlu modeli. Histon Harici (Non-histon) Proteinler Boyut ve işlevleri bakımından değişik yaklaşık 1000 çeşit proteinden oluşan bir gruptur. Kromozom yapısına katılan histonlar dışındaki tüm proteinler bu gruba dahildir. Çoğunlukla asidik özelliktedirler (negatif yüklü). Histon olmayan proteinlerin bir kısmı doğrudan doğruya kromatinin oluşumuna katılan yapısal proteinlerdir. DNA ile doğrudan etkileşimi olmasa da dolaylı (başka proteinlerle) etkileşime girerek yapıya katılırlar. Bunların dışında DNA’nın replikasyonunda ve gen ifadesi sırasında iş gören enzimler de bu gruba dahildir. Histon olmayan proteinler türlere, bireylere ve hatta bireyin doku ve hücre tipine göre büyük değişiklik gösterebilir. Bu nedenle bu gruptaki proteinlerin, kromatinin yapısal oluşumunun yanı sıra özellikle onun aktivitesinin düzenlenmesiyle ilgili oldukları düşünülmektedir. Nükleozom ve Kromatozom yapısı  8 histon proteini (histon core, oktamer) ve bunun etrafında 1.65 tur Nükleozom yapan 146 nükleotit çifti DNA molekülü nükleozom olarak adlandırılır.  Turun tamamlanarak (2 tur) nükleotit DNA H1 ile bağlanmış hali ise 166 içermekte ve kromatozom olarak adlandırılmaktadır.  Kromatozomlar arası mesafe 80 nükleotitten oluşmakta ve linker DNA (ara bağlayıcı DNA) olarak isimlendirilmektedir.  Bu küçük farkın yanında bu yapı genel olarak nükleozom kompleksi olarak bilinmektedir (kromatozom kullanılmaz).  Bu haldeyken yoğunlaşma yaklaşık 6 kattır. terimi pek Kromatozom Kromatin Yapısı Kromatininin yaklaşık 1/3’ü DNA molekülüdür. Nükleozom kompleksi, linker DNA ve nonhiston oluşturduğu ipliksi (veya kromatin tanımlanmaktadır. proteinlerinin yapı kromatin ipliği) olarak Kromatin Organizasyonu Kromatin ipliğinin elektron mikrografi görüntüsü; ipe dizili boncuk (beads on string) şekli. (Heterokromatin ) (Ökromatin) Kromatin ipliği https://www.youtube.com/watch?v=prYd9n E0Rks Ökromatin (Eukromatin -E-): Kromatin ağının gevşek olduğu ve üzerindeki genlerin aktif olduğu (ekspreseyonun yapıldığı )yerler. Hetrokromatin (H): Kromatin ağının sıkı olduğu (üzerindeki genlerin eksprese edilmediği) ve bu nedenle de daha fazla boyanarak koyu renk aldığı yerler. Kromatin Organizasyonu Kromozom oluşumu ve Kromatinin nükleer çatı (nuclear scaffold) etrafında ileri derecede ve çok düzenli bir şekilde katlanıp yoğunlaşması sonucu kromozom yapısı oluşur. oluşumu yalnızca mitoz sırasında olur. Daha öncesinde (S evresinde) replike olduğundan (kopyalandığından) dolayı oluşan kromozom iki kolludur (kardeş kromatidler halinde). Bunlar da anafaz süreciyle ayrılarak yeni oluşan hücrelere paylaştırılır. → Kromozom Bu şekilde kromozom DNA → Kromatin protein kompleksi (non histon proteinler) Moleküler yapının yaklaşık olarak 10.000 katı yoğunlaşma gerçekleşir. Elektron Mikroskobisi ile elde edilen kromozom görüntüsü Portein Çatı (Scaffold) Nükleofilament (protein yapı scaffold) bir protein etrafında çatısı ilmikler oluşturarak kromozom şeklini alır. Yandaki elektron mikrografisinde Histon özel proteinlerinin bir uygulama ile uzaklaştırılması sonucu elde edilmiş olan protein çatı ve etrafında dağılmış olan histonsuz DNA görülmektedir. molekülü ilmikleri Nükleozom yapısı disk şeklinde ve yaklaşık 11 nm çapındadır Nükleozomlar yaklaşık 200 bç aralıklarla sıralanmışlardır. Linker DNA iki nükleozom arasındaki çıplak DNA bölgesidir ve uzunluğu 0-80 bç arasında değişir. Nükleozom yapısının paketlenme oranı yaklaşık 6’dır Paketlenmede bir sonraki aşama 30 nm fibril yapısının (solenoid yapı) oluşmasıdır. 6 nükleozomun radial olarak yerleştiği bir yapıdır ve sarmal olarak devam eder. Bu yapının oluşmasında H1 proteininin ve histon kuyruklarının rolü vardır. 30 nm fibril yapısı ile paketlenme oranı 40’ a ulaşır. Sir proteinleri (Sir 1, 3, 4) de-asetillenmiş kromatine bağlanırlar, ve 30-nm filament paketlenmesi sağlarlar. Sir2 bir histon deasetilazdır. Paketleme proteinleri ve deasetilaz heterokromatine yayılır ve paketlenmiş genler sessizleşirler. “loop” formasyonu 30 nm fibril yapısındaki DNA’nın iskelet proteinlerine bağlanarak oluşturduğu bir yapıdır 20-100 kb DNA içerir Her bir loop, yaklaşık Paketlenme düzeyi yaklaşık 1000’dir. İskelet proteinleri içinde yer alan Topoizomeraz II enzimi bu yapının oluşmasında önemlidir DNA’nın iskelet proteinleri ile ilişkili olduğu bölgeler SAR (Scaffold Attachement Region) olarak adlandırılır kromatid yapısının oluşması. Paketlenme düzeyi yaklaşık 10000’dir İnterfaz aşamasındaki nükleusta kromatinin paketlenme düzeyi genellikle 30 nm fibril yapısıdır Her kromozom lineer bir DNA molekülüdür ve paketlenme sonucunda kromozom şeklini alır. https://www.youtube.com/watch?v=NXfdkWVuPVY Kromatin Organizasyonu Hücre bölünmesi başladığında kromozomların oluşumu sırasında bu ipliksi yapının daha da yoğunlaşması gerekir. Kromatin iplikçikler histon olmayan proteinlerin, HMG proteinlerin ve RNA moleküllerin yardımıyla ilmekler yaparak bir protein iskelete tutunmuş olarak yoğunlaşmaya devam ederler. HMG Proteinler Yüksek elektrik yükleri ve ufak boyutları nedeniyle histon olmayan proteinlerden ayrı bir grup olarak kabul edilen bu proteinler jel elektroforezinde çok hızlı hareket etmelerine olanak verdiği için adlandırmada bu kısaltma (High Mobility Group-hareket yeteneği yüksek grup olarak) kullanılmıştır. HMG proteinler kromatin yapısının %1-5’ini kapsarlar. Bu grup proteinlerin kapsamında tüm ökaryotlarda saptanan HMG 1, 2, 14 ve 17 olarak adlandırılan dört çeşit dışında bazı özel tiplerde bulunmaktadır. High Mobility Group (HMG), bazik yapılı histon olmayan grup içerisinde yer alan bu grup, transkripsiyon, replikasyon, rekombinasyon ve DNA onarımı gibi süreçlerin düzenlenmesinde önemli rol oynamaktadır. Çekirdekte bulunan high mobility group (Yüksek mobilite Grubu) proteinleri genel olarak kromatinin aktif transkripsiyon bölgelerinde bulunmaktadır. Yüksek mobilite grubu proteinler glikozilasyon, metilasyon, fosforilasyon ve asetilasyon olmak üzere çeşitli translasyon sonrası modifikasyonları içermektedir. Bu süreçte saflaştırılmış olan HMG14 ile HMG17’de doğrudan analizi, mannoz, glikoz, galaktoz ve N-asetilglukozamin varlığını tespitinde gösterilmektedir. HMGO1 gibi yüksek hareket sahibine bağlı olan grup protein bağlanma ve bükme yoluyla DNA mimarisini değiştirmektedir. Bu süreçte HMG box DNA bağlayıcı proteinlerdir ve bağlanma üzerinden DNA’ nın esnekliğini arttırmaktadır. HMG proteinleri mayadan insana kadar pek çok türde izole edilmiştir ve tüm HMG proteinleri DNA’yı bağlamaktadır. MGB proteinleri HMG1 kutusu adı verilen korunmuş olan bir DNA bağlanma alanı sayesinde DNA’yı bükebilmektedir. Her bir HMG1 kutusu karakteristik olarak bükülmüş L-şekilli bir yapıya katlanmış 70 ile 80 amino asit kalıntısından meydana gelerek oluşan dizi içermektedir. SORU ????? İnsan vücudundaki genomik DNA yı ucuca ekleseydik ne kadar uzun olurdu? CEVAP: 48 milyar kilometre dir. Bu uzunluk Güneş sisteminin çapının yaklaşık 5 katıdır!!!!! İnsan genomu ≈ 3 x 109 bp İnsan diploidtir, her çekirdek 6 x 109 bp yada ≈ 2 m DNA içerir 5-10 mm çapındaki çekirdeğe nasıl sığmaktadır? NÜKLEOZOM YENİDEN ŞEKİLLENDİRME KOMPLEKSLERİ Nükleozom yeniden şekillenmesinde görev alan bu protein kompleksleri ATP bağımlı , nükleozomların hareketi, montajı ve çıkarılmasından sorumludurlar. Ayrıca transkripsiyon faktörlerinin DNA’ya erişebilirliğini yönetirler. Şekillendirme kompleksleri diziye özgü olmadıkları için transkripsiyon faktörleri yada kodlanmayan RNA tarafından genomik bölgelere hedeflenirler. Kromatin sıkılaşması ve gevşemesi için post-translasyonel modifikasyonları tanırlar. Bu süreçte rol alan 4 kompleks tanımlanmıştır. 1. SWI/SNF 2. ISWI 3. INO80 4. NuRD/CHD NÜKLEOZOM YENİDEN ŞEKİLLENDİRME KOMPLEKSLERİ Yeniden şekillendirme kompleksi olan SWI/SNF, çeşitli yollarla özgül DNA bölgelerine yönlendirilir: 🞑 Lösin fermuar bölgeleri içeren transkripsiyon faktörleri bağlanmayı yönlendirebilir (a) 🞑 Asetilasyonla değişikliğe uğratılan nükleozomun histon bileşenleri SWI/SNF’nin hedefi olabilir (b). 🞑 Metillenmiş DNA bölgeleri de SWI/SNF için hedef bölgeler olabilir (c). SWI/SNF NÜKLEOZOM YAPISINI NASIL DEĞİŞTİRİR?  Nükleozom DNA üzerinde aşağı doğru kayması(a).  Nükleozom çekirdek partikülü etrafındaki DNA’nın sarılma yolu değiştirilir (b).  Nükleozom dimeri oluşturulacak şekilde nükleozom çekirdek yapısının kendisi değişir (c). SWI/ SNF nükleozom ve ilişkili kaymasına kromatin remodelling ve nükleozom yapısında düzensizliklere neden olurlar. Yeniden modelleyici histon oktomerinin etrafındaki, kompleksleri; önemli kompleksin; DNA‘nın şeklini değiştirmesinin ardından transkripsiyon faktörleri ve genel transkripsiyon araçları DNA’ya kolayca ulaşabilirler. SWI/SNF kromatinin yapısının ve Histonasetil transferaz yeniden şekillenmesinde ortaklaşa çalışırlar. Asetillenmiş histonları tanıyan bromodomainler içerir, nükleozomları DNA boyunca kaydırma, histonları çıkarma ve HA-H2B dimerlerinin yerini alma yeteneğine sahiptir. ISWI kompleksleri Kromatini yeniden modelleyen ISWI kompleksleri Histonoktomerini DNA üzerinde kaydırır. SWI/ SNF ISWI ailesinin aksine üyeleri histonoktomerinin yapılarında herhangi bir düzensizlik yapmaksızın DNA üzerinde kaydırırak nukleozomları başka bir yere yerleştirir. Bu işlemde nukleozomların yapısında bir bozulma meydana gelmez. SWRI kromatini yeniden modelleyen kompleksi ; Histonu bir bir histon varyantı ile yer değiştirir. SWRI kompleksi ATPaz alt ünitesi olan Swr1’den bu adı almıştr. nükleozomdaki SWR1 Kompleksi: H2A.Z-H2B dimerlerini H2A-H2B nin yerine yerleştirebildiği; ancak Kompleksin bu varyat dimerini çıplak DNA’nın yapısına sokamadığı görüldü. Histon varyantı olan H2A.Z; telomerin yakınlarında bulunan, transkripsiyonal olarak aktif olan bazı genlerin gücünü arttırırlar. INO80 benzeri kompleks: Replikasyon çatallarına ve holiday bağlantılarına uyan helikaz bölgeleri domainleri arasında daha uzun bir peptid zincirine sahiptir. NuRD/CHD kompleksi: Metillenmiş histonları tanıyan kromodomainlere sahiptir. GlobalRegulationofH2A.ZLocalization bytheINO80Chromatin-Remodeling EnzymeIsEssentialforGenomeIntegrity DOI10.1016/j.cell.2010.12.021 The human Mi-2/NuRD complex and gene regulation. S A Denslow & P A Wade RNA inhibits dMi-2/CHD4 chromatin binding and nucleosome remodeling DOI:10.1016/j.celrep.2022.110895 Genetik Materyal ile ilgili Tanımlamalar DNA Gen Kromozom Kromatin DNA: Genetik materyalin molekülüler düzeydeki, 4 farklı nükleotit (A, T, G ve C) tekrarlarından oluşmuş polimerik formudur. Gen: DNA molekülünün RNA olarak transkribe olan (ifade edilen) belli bir parçasıdır. İnsan kromozomları üzerinde yaklaşık 25-30 bin gen olduğu tahmin edilmektedir (her bir kromozom üzerinde yüzlerce/binlerce gen bulunabilmektedir). Kromatin: DNA’nın histon ve nonhiston proteinleri ile özel bir kompleks oluşturarak interfaz evresindeki (fonksiyonel olarak aktif) hücre çekirdeği içinde bulunduğu formudur. Kardeş kromatidler Kromozom: Bölünmeye hazırlanan hücrelerde Profaz başlangıcından itibaren kromatinin ileri düzeyde yoğunlaşıp katlandığı ve özel bir şekilde paketlendiği formudur (bu yoğunlaşma ile her bir kromozom ipliği yaklaşık 10.000 kez kısalmış ve mikroskopla görülebilir hale gelmiştir). Diploid hücrede anne ve baba kopyaları (homologlar) halinde her bir kromozomdan iki adettir. Kromozom sayıları türe özgü olmakla birlikte her türün bireylerinde aynı sayıdadır. İnsanda 23 çift (46 tanedir). Kardeş Kromatidler: Bunlar iki yavru hücreye aktarılacak olan bir kromozomun iki kopyasıdır (hücre döngüsünün “S” evresinde DNA replikasyonu ile oluşturulur), en belirgin ve kompakt halini Metafaz evresinde aldığı için kromozomlar genelde bu yapıda gösterilir. Asetilasyon/ Deasetilasyon Nükleozom yapısındaki histonlara histon asetilaz enzimi tarafından asetil grupları eklenerek nukleozom etrafınde sarılı olan DNA’nın açılması sağlanır. Bu sayede replikasyon ve transkripsiyonu sağlayan enzimler açılan bölgeye daha kolay bağlanırlar. Histon deasetilaz ise bunun tam tersini yaparak asetil gruplarını uzaklaştırır ve DNA’nın tekrar paketlenmesini sağlar. Metilasyon DNA üzerindeki belirli bölgelere metil grupları ilave ederek DNA’nın ifade edilmesini önler. Fosforilasyon Nükleozom yapısındaki histonlara fosforilaz enzimi tarafından fosfat grupları eklenerek nukleozomun histonların negatif yük kazanması dolayısıyla etrafınde sarılı olan DNA’nın açılması sağlanır. Bu sayede replikasyon ve transkripsiyonu sağlayan enzimler daha kolay bağlanır. Histon defosforilasyon enzimleri ise bunun tersini yaparak fosfat gruplarını uzaklaştırır ve DNA’nın tekrar paketlenmesini sağlar. Fosforile ve okunabilen yani replike olabilen ve transkribe edilebilen DNA Ökaryotlarda spermdeki kromatinde, histonların yerine (yada histonlara ek olarak) protaminler (başka bazik protein grubu) bulunur. Ökaryotik hücrelerin mitokondri ve kloroplastlarında bulunan DNA molekülleri halka biçiminde!!! Organellerdeki DNA moleküllerinin bazı proteinlerin yardımıyla, kromatindeki gibi düzenli bir organizasyon olmaksızın, yapılarını yoğunlaştırıp paketlenebilirler.