Bölüm 4: Gen Ekspresyonu ve Protein Sentezi

G

en ekspresyonu, genin fenotip (dış görünüş) oluşturarak kendini ifade etmesi demektir ve iki aşamadan oluşur.

İlk aşamada çekirdekte bulunan DNA sarmalından mRNA yazılımı (transkripsyon) gerçekleşir. RNA genelde tek zincirlidir. DNA dan farklı olarak timin yerine urasil(U) ve deoksiriboz yerine riboz şekeri bulundurur. Üçlü mRNA kod grubunun (kodon) aminoasit dizine çevrimi ve protein üretimi (translasyon) ile gen ifadesi oluşur. DNA dan protein oluşturulan bu sürecinin tamamına santral dogma denir.

Tek zincirli DNA, çift zincirli RNA

Çift Sarmallı RNA (dsRNA- double-stranded RNA):
dsRNA, birbirini tamamlayan ve çift sarmal yapı oluşturan iki RNA zincirinden oluşan bir moleküldür. Çeşitli biyolojik bağlamlarda bulunabilir. Özellikle pek çok virüs, özellikle de RNA genomlarına sahip olanlar (örneğin, Reoviridae familyasındaki bazı virüsler), replikasyon döngüleri sırasında bir ara ürün olarak dsRNA üretir. İnsan hücrelerinde dsRNA, gen ifadesini düzenleyen hücresel bir mekanizma olan RNA interferans yolunda önemlidir. RNAi'de dsRNA, tamamlayıcı mRNA'nın susturulmasına rehberlik eden küçük müdahaleci RNA'lar (siRNA'lar) veya mikroRNA'lar (miRNA'lar) gibi küçük RNA moleküllerine işlenir.

Tek İplikli DNA (ssDNA - single-stranded DNA (ssDNA)):
ssDNA, çift sarmallı DNA'da bulunan çift sarmal yapının aksine, yalnızca tek sarmaldan oluşan bir DNA molekülüdür. DNA replikasyonu sırasında, DNA'nın çözüldüğü ve tamamlayıcı ipliği sentezlemek için tek iplikli bölgelerin replikasyon enzimlerine maruz kaldığı geçici dönemler vardır. Parvovirüsler gibi bazı DNA virüsleri tek sarmallı DNA genomlarına sahiptir. Bazı DNA onarım süreçleri, tek sarmallı DNA'nın geçici oluşumunu içerir. Patolojik olarak özellikle apaototik süreçler ve DNA hasarı göstergesidir.

A,U,G ve C bazlarının 3 lü kombinasyonundan 4³ yani 64 farklı kodon oluşabilir. Her bir kodona bir amino asit karşılık gelir. Ancak toplam 20 çeşit amino asit vardır. Bu durumda bir amino asit için birden fazla kodon bulunmaktadır. Örneğin hem AGA hem de AGG Arginin kodonlarıdır. AUG hem metionin kodonu hem de transkripsiyon başlangıç kodonudur. Transkripsiyonu bitiren UAA, UAG ve UGA kodonları ise herhangi bir aminoasit tanımlamaz.

Genetik bilgi akışının kaynağı olan DNA DNA nın protein kodlayan kısmına ekson denir.

DNA nın %98 ini oluşturan intron bölgelerse işe yaramaz olduğu zannedilip çöp (junk) DNA olarak adlandırılmışsa da yakın zamanda yapılan çalışmalarda, bu bölgelerde protein sentezinde rol almayan RNA kodlandığı keşfedilmiştir.

Bu RNA çeşitlerinin protein sentezi dışında hücre gelişme ve bölünmesi, kromozom yapısı, genin hangi noktadan kodlanmaya başlayıp bitirileceği, gen ekspresyonunun miktarı, gen susturulması, yabancı maddelerin parçalanması, ekson birleştirme, kanser hücre oluşumu gibi birçok önemli görevi vardır. Nonkoding, protein kodlamayan RNA çeşitleri arasında küçük interferaz RNA(siRNA), küçük nukleolar RNA (snoRNA), küçük nuklear RNA(snRNA), mikroRNA (miRNA), uzun kodlamayan RNA (lncRNA) bulunur.

Toplam gen sayısı: 46.831
Protein kodlayan gen sayısı: 21.306
Protein kodlamayan gen sayısı: 25.525
lncRNA kodlyan gen sayısı: 18.484

Non-koding RNA (ncRNA) ve eksozomlar

Eksozomlar vücudumuzdaki hemen hemen tüm hücre türleri tarafından doğal olarak salınan küçük, nano boyutlu keseciklerdir. Protein, lipit, nükleik asitler (DNA parçaları, mesajcı RNA (mRNA), mikroRNA (miRNA), uzun kodlamayan RNA (lncRNA), dairesel RNA (circRNA) gibi moleküllerden oluşan bir kargo taşıyan eksozomlar hücreden hücreye iletişimde yer alır ve içeriklerini alıcı hücrelere aktarır. Gen ifadesini yüksek özgüllükle susturabilen siRNA'lar, genellikle protein kompleksleri için yapı iskelesi veya diğer moleküller için tuzak görevi gören lncRNA'lar ve miRNA aktivitesini düzenleyen circRNA'lar gibi kodlamayan RNA'larla birlikte farmakolojik moleküller için ilaç dağıtım sistemi olarak işlev görebilir.

Eksozomların, lipozom gibi geleneksel dağıtım yöntemleriyle karşılaştırıldığında ncRNA'ları dağıtırken çeşitli avantajları vardır. Eksozomların endojen araçlar olarak kullanılması bağışıklık tepkisinden kaçabilir, böylece toksisiteleri en aza indirilebilir. Eksozomların tekrar tekrar uygulanmasından sonra bile olumsuz bağışıklık tepkisi dahil hiçbir yan etki bildirilmemiştir. Ayrıca eksozomlar yüzeydeki spesifik ligandlar aracılığıyla spesifik doku ve hücreleri hedefleyebilir. Kan-beyin bariyeri (BBB) gibi biyolojik bariyerlere kolaylıkla nüfuz edebilir.

Bununla birlikte eksozom ve hastalıklar aarasında karmaşık bağlantılar gözlenmiştir. Tümörden türetilen eksozomlar, kanser hücrelerinin metastazına aracılık edebilir, kronik inflamatuar hastalıklara katkıda bulunan inflamatuar sinyalleri taşıyabilir. Düzensiz miRNA ekspresyonu kanser, kardiyovasküler hastalık ve nörodejeneratif bozukluklarda rol oynar.

Öte yandan hastalıklarda biyobelirteç olarak kullanılabilir. Tümör hücreleri, erken kanser tespitine yardımcı olabilecek, tümöre özgü moleküller içeren eksozomlar salgılar. Eksozom içeriğindeki değişiklikler, bir hastalığın nasıl ilerlediğini veya tedaviye nasıl yanıt verdiğini gösterebilir.

TRANSKRİPSİYON: mRNA yazılımı başlama, uzama ve sonlanma aşamalarından oluşur.

BAŞLAMA: Ökaryot hücrelerde transkripsiyon faktörleri DNA da kodlanacak gen bölgesinde bulunan öncü dizide TATA kutusunu tanıyıp bu bölgeye bağlanır. RNA polimeraz bu faktörlere bağlanarak transkripsiyonu başlatma kompleksini oluşturur. DNA kalıp ipliğinde bulunan TAC dizisi ile kopyalama başlar.

UZAMA: RNA polimeraz ile 5' yönünde fermuar gibi açılan DNA sarmalının kalıp ipliğine göre 5'den 3' yönünde öncü mRNA ipliği sentezlenir. 5' ve 3' gösterimleri, bir fosfat grubunun bağlandığı bir deoksiriboz şeker molekülündeki karbon atomu sayısını ifade eder. Birden fazla RNA polimeraz aynı anda tek gen üzerinde çalışarak birden fazla mRNA üretebilir. mRA üretimi DNA üzerindeki TAC başlama noktasından sonlanma noktası boyunca devam eder. Başlama noktasının gerisindeki dizilere upstream, sonrasında bulunan dizilere downstream denir. Genin asıl kodlandığı dizi, açık okuma çerçevesi (open reading frame/ORF) olarak isimlendirilir.

SONLANMA: RNA polimeraz DNA kalıp ipliğinde ATT, ACT veya ATC ile sonlandırma dizilimiyle (terminatör) karşılaştığında mRNA uzamasını sonlandırır.

Ökaryotik hücrelerin nukleusunda gerçekleşen transkripsiyonda oluşan öncü mRNA (pre-mRNA) kısa ömürlüdür ve stabil değildir. Bir enzim yardımıyla dizinin 5’ ucuna Guanin 5’ başlığı, 3’ ucuna poli A kuyruğu eklenir. Uçların stabil hale gelmesi mRNA yı hidrolitik enzimlere karşı korur ve mRNA nın sitoplazmaya geçişini sağlar.

Nukleusdaki mRNA,eksonları arasında uzun kodlanmayan dizileri ve intronları içerir. snRNA nın bulunduğu splicesome kompleksi intronları bu diziden uzaklaştırarak kesintisiz bir ekson dizisi oluşturur. Bu uç uca ekleme (RNA splicing) işlemi farklı ekson rekombinasyonlarına olanak sağlar.

TRANSLASYON: Translasyonda görev alan tRNA nın iki boyutlu(a) ve üç boyutlu(b) yapısı şekilde gösterilmiştir.

Diğer RNA lar gibi tek zincirli olarak çekirdekteki sentezinin ardından farklı kısımlarında katlanmalar geçirerek işlevsel halini alır.

Her bir tRNA antikodonuna karşılık gelen uygun amino asiti 3’ ucuna bağlar. Nukleik pordan sitoplazmaya geçen mRNA ribozom alt ve üst birimlerince yakalanır. mRNA dizisi boyunca mRNA kodonu ile uyumlu olan tRNA ribozoma ulaşarak kodon-antikodon eşleşmesini gerçekleştirir. Bu sırada ribozom tRNA nın taşıdığı spesifik amino asiti bir önceki aminoasite bağlayarak polipeptid zincirini oluşturur.

Kodon-antikodon eşleşmesinde mRNA ve tRNA bağlanması için ribozomda belirli alanlar vardır. mRNA alt ve üst birim arasında okunurken P (polipeptid) sitesinde bulunan tRNA dan polipeptid zincirine amino asit bağlanır. Amino asitten ayrılan tRNA E (exit: çıkış) sitesine geçerek çıkış yapar. Bu sırada, sıradaki kodona karşılık gelen tRNA taşıdığı amino asit ile A (aminoasit) sitesine yerleşir. Serbest kalan tRNA lar başka bir amino asit kopyasına bağlanmak için sitoplazmaya geri döner ve yeni döngü başlar.

Translasyonun bu uzama aşaması AUG başlama kodonuna karşılık gelen başlatma antikodonun, ilk amino asit olan metioninini getirmesi ile başlar. Herbir tRNA nın P sitesine bağlanması için enerjiye ihtiyaç vardır. mRNA nın polipeptid dizisine çevrimi devam ederken sonlandırıcı üç kodondan birinin A bölgesine gelmesi ile polipeptid zincir yapımı sonlanır.

Tek bir mRNA aynı anda birden fazla ribozom (poliribozom) tarafından okunup çevrilebilir. Bu sayede, hücre bölünmesi gibi çok miktarda protein ihtiyacı olduğu dönemlerde, kısa zamanda yeterli miktarda protein oluşumu sağlanabilir.

Ribozomdan kurtulan polipeptid zinciri fonksiyonel değildir. İşlevsel olması için katlanmalar geçirerek üç boyutluluk kazanır. Her protein kendi başına katlanamaz. Çoğu proteinde şaperon adlı protein aracılığı ile gerçekleştirilr. Bazı spesifik protein türlerinin oluşumu için translasyon sonrası modifikasyona uğrayarak şeker, lipid ve fosfat eklenebilir. Hedef lokasyonuna göre katlanmalar sitoplazmada kendiliğinden olduğu gibi, ERde de gerçekleşebilir. ER ye gidecek her polipeptidin uç bölgesinde sinyal pepdidi bulunur.

ER bağlı ribozomlar translasyon sırasında, sinyal tanıma partikülü (SRP) sinyal peptidine tutunur ve ER membranında bulunan translokasyon kompleksi tarafından tanınmasını sağlar. Komplekse tutunan birincil yapıdaki polipeptid zinciri, protein por aracılığıyla zar boyunca ilerler. Geçiş sırasında zincir arasında hidrojen ve disülfid bağları oluşumu ile katlanmalar başlar. Alfa sarmalı ve beta yaprağı görünümünde ikincil (seconder) yapıdadır. Farklı katlanmalar ile üçüncül (tersiyer) yapı halini alır. Tersiyer proteinlerin birleşmesi ile dördüncül (kuaterner) yapı oluşur. Türüne göre bazı proteinler ER yüzeyinde glikolipid ile de bağlanabilir.

Hatalı üretim ve kullanım dışı proteinler ER’den sitozole bırakılır. Bir enzim bu maddelerin peptid bağlarını parçalayarak (proteoliz) başka bir protein molekülü (proteazom) ile hücreden atımını gerçekleştirir.Doğru katlanmış proteinler ileri düzey işlemlerden geçmek üzere vezikül aracılığı ile ER’den Golgi’ye aktarılır.

Cis bölgesinden alınan protein golgi boyunca glikoz,fosfor, sülfat ve oligosakkarit gibi farklı modifikasyonlardan geçebilir. Modifikasyona uğrayan proteinler artmış hidrofiliklik ,sağlamlık ve bağlanma kapasiteleri ile trans bölgesine ulaşırlar. Paketlenmiş olgun proteinler vezikül aracılığı ile hücre içi ve hücre dışı hedefe ulaşır.

Kaynaklar ve İleri Okuma:

From gene to protein. bio.utexas.edu

Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M. , Essential cell biology, 2014.

M. H., «Hacettepe Üniversitesi Açık Ders Melzemeleri».

Hartl DL., Ruvolo M., Genetics: Analysis of genes and genomes, 2011.

«Ankara Üniversitesi açık ders malzemeleri».

Moore K.L., Persaud T.V.N., Torchia M.G.,, The Developing Human Clinically Oriented Embryology, Elsevier, 9th ed. 2013.

Harding R., Bocking A.D., Fetal Growth and Development, Cambridge University Press, 2001 .

Feigelman S., Nelson Textbook of Pediatrics 20th ed. Elsevier, 2016.

Ross MG, Ervin MG., Obstetrics: Normal and Problem Pregnancies, 7th ed. Elsevier, 2017.

Alberts, B., Molecular biology of the cell. Garland science 6th ed, 2017.

«School of Biological Sciences @ UT Austin,» [Çevrimiçi].

K. N., «Methylenetetrahydrofolate Reductase Activity and Folate Metabolism, Archives Medical Review Journal, 2014».

T. T., «What is renin inhibition? Mechanism of action, Arch Turk Soc Cardiol, 2009».

Uyarı Bu web sitesinin içeriği bilgilendirme amaçlıdır ve kişisel tıbbi tavsiye verme amacı taşımaz. Sağlığınızla ilgili tüm sorularınız için sağlık uzmanına başvurmalısınız.

Hayat boyu beslenme : minell's projesi ,hayatboyubeslenme