BÖLÜM ALTI

GENETİK ŞİFRE, DNA’NIN TRANSKRİPSİYONU VE TRANSLASYON

Genlerin fenotip üzerindeki etkileri Mendel’in çalışmalarının fark edildiği 1900 yılından beri merak konusu olmuştur. 1902 yılında İngiliz Tıp doktoru A. Garrod, insanlarda alkaptonuria denilen bir hastalığı çalışırken, genlerin hücredeki biyokimya reaksiyonlarını kontrol ettiği fikrini ortaya attı. Garrod, alkaptonuria hastalığının, homogentisik asit denilen bir maddenin bir sonraki ara madde olan maleyl aseto asetik aside çevrilemediği için yüksek miktarlarda birikmesinden meydana geldiğini ve idrarla birlikte atıldığını buldu. Yani  dönüşüm işlemi hastalarda çalışmıyordu. Dolayısıyla, sonradan gelişen bir tabir olarak, “doğuştan hatalı” bir durum söz konusuydu. Sonuç olarak bugün biliyoruz ki, hücredeki kimyevi reaksiyonlar zinciri, bir seri genin interaktif etkileri tarafından kontrol edilmektedir.   


Genetik materyal olarak DNA’nın kendini kopya etme – replikasyon - özelliğine sahip olması gerektiğinden ve bu işlemin nasıl cereyan ettiğinden geçen bölümde bahsetmiştik. Bu bölümde de DNA’nın taşıdığı genetik bilginin fenotipe doğru nasıl deşifre edildiğini ele alacağız.

DNA’nın taşıdığı genetik bilgiye genetik şifre diyoruz. Bu şifre, genlerdeki bilginin fenotip olarak ifade edilebilmesi için deşifre edilmelidir. Genetik şifrenin fenotip olarak ifade edilmesi, genellikle, proteine dönüştürülmesi demektir. Bazı genlerdeki, yani DNA’nın bazı segmentlerindeki genetik bilgi, protein değil de çeşitli RNA’ların sentezlenmesi için deşifre edilir. Genetik şifrenin okunup deşifre edilip sonra da protein veya RNA olarak ifade edilmesi, bir dizi karmaşık işlemin bir sonucudur. Hangi genin ne zaman ve hangi miktarda fenotip olarak ifade edileceğini belirleyen bilgiler de bazı genlerde şifrelenmiştir.

Genlerin sayısı ile hücre içinde aktif olarak çalışan protein sayısı arasında eşitlik yoktur. Meselâ insanda fonksiyonu bilinen 32000 kadar gen vardır. Bunların kodladığı protein sayısı ise 100,000’den fazladır. Bunun sebebi, bir gen içinde ekson (eylemi görülen bölge anlamında) ve intron (ayırıcı bölge anlamında) bölgelerinin olmasıdır. Biraz sonra göreceğimiz gibi, DNA’daki genetik bilgiyi çekirdek dışına taşıyacak olan RNA molekülü (messenger RNA, mRNA olarak gösterilir) sentezlenirken gendeki ekson ve intron bölgeleri ayırt edilmeksizin mRNA’ya kopyalanır. Sonra intron bölgeleri kesilerek mRNA olgun hale gelir. Aynı genin kesim bölgeleri, intronları farklı yer ve zamanlarda farklı olabilmektedir. İşte bu yüzden de bir genden birden fazla protein sentezi mümkün olmaktadır.

Bu bölümde genetik bilginin proteine deşifre olma sürecini ele alacağız. Bu süreç aslında iki safhadır: transkripsiyon ve translasyon. Transkripsiyon, bilginin, DNA’yı bir kalıp olarak kullanılmak suretiyle, bir RNA eksenine kopyalanmasıdır (transkribe edilmesidir). Prokaryotlarda bu RNA eksenindeki bilgi nerdeyse derhal, translasyon denilen sonraki süreçle, bir aminoasit zincirine (polipeptide) dönüştürülür. Ökaryotlarda ise, transkripsiyon ve translasyon mekân olarak ayrılmıştır: transkripsiyon çekirdekte ve translasyon sitoplazmada cereyan eder. Ancak, RNA’lar sitoplazmaya taşınmaya hazır olmadan önce, intronların atılmasını, özel bir 5’ başlığının ve adenin nükleotidlerinden oluşan 3’ kuyruğunun eklenmesini içeren şümullü bir işlenmeye tabi tutulur. Tam olarak işlenmiş RNA messenger RNA (mRNA) olarak isimlendirilir. Bu iki safhayı ele almadan önce genetik şifreyi anlamaya yönelik bir bilgi vereceğiz.

 

            VI.1- GENETİK ŞİFRE

Genetik şifre birimi, kodon denilen 3 nükleotid dizisidir. 20 aminoasidin 18’i birden fazla kodon tarafından kodlanır. Sadece methionin (AUG) ve tryptophan (UGG) birer kodon tarafından kodlanır. Methionin birçok polipeptidin başlangıç aminoasididir, dolayısıyla AUG başlangıç kodonudur. UAA, UAG ve UGA ise stop kodonlarıdır.

Genetik şifre biriminin üç nükleotidlik kodonlar olduğu 1961’de Crick, Brenner ve arkadaşlarının E. Coli’nin rII fajı mutantlarındaki çalışmalarıyla anlaşılmıştır. Özet olarak, rII fajı, bir çerçeve mutasyonuyla bir fonksiyon kaybı yaşamakta, ancak daha sonra genin başka bir bölgesinde ikinci bir mutasyonla o kayıp ortadan kalkmakta faj eski fonksiyonuna kavuşmaktadır. Çerçeve mutasyonlarından ileride bahsedilecektir; ancak şimdilik, tek veya ardıl birkaç baz çiftinin eksilmesi veya eklenmesi diye tanımlayabiliriz. Bu şekilde yabani formun fonksiyonunu yeniden kazandıran bu ikinci mutasyonlara susturucu mutasyonlar denilmektedir. Crick ve arkadaşları (1961), susturucu mutasyonlarla, genetik şifrenin ardıl üç nükleotidden oluşan ve kodon adı verilen birimlerden oluştuğunu buldu. Denemenin ayrıntılı açıklaması bu kitabın kapsamı dışında olup merak edenler Griffith ve ark (2008)’e bakabilirler.

DNA’dan kopyalanan mRNA, genetik şifreyi protein sentezlenecek yere taşır. Genetik şifre, mRNA’daki ardıl üç nükleotidlik kodonların her birinin bir aminoasidi belirlediği bir sistemdir. Hangi kodonun hangi aminoaside karşılık geldiği Tablo: VI.1’de gösterilmiştir.

Bu tablodan hemen görülen bazı özellikleri şöylece sıralayabiliriz:

·         Şifre özgündür; yani her bir kodon sadece bir aminoasidi kodlar.

·         Bununla birlikte şifre dejeneredir; yani aminoasitlerin çoğu birden fazla kodon tarafından kodlanmaktadır. Sadece methionin ve triptofan birer kodon tarafından kodlanmakta, diğerleri en az iki kodon tarafından kodlanmaktadır. Aynı aminoasidi belirleyen kodonların genellikle ilk iki nükleotidi aynı olup üçüncü nükleotidi değişmektedir. Translasyon bahsinde bununla ilişkili olarak Crick’in wobble (tereddüt, oynaklık) kuralından bahsedilecektir.

·         Şifrede bir adet başla kodonu (methionin kodlayan AUG), üç adet de stop kodonu (UAA, UAG, UGA) vardır.

Tabloda görülen bu özellikler dışında şifrenin genel özelliklerini sıralamayı şöyle sürdürebiliriz:

·         Şifre süreklidir; çalışmaya başlayınca, başla kodonundan stop kodonuna kadar aradaki bütün kodonlar duraksama olmaksızın aminoasit karşılıklarına çevrilir.

·         Şifrede çakışma olmaz. Bir ribonükleotid bir kodonun üyesidir. Aynı anda birkaç kodonun üyesi olamaz.

·         Genetik Şifre, bazı istisnaları olmakla birlikte evrenseldir; virüslerde, prokaryotlarda ve ökaryotlarda Tablo: VI.1’de verilen şifre geçerlidir.[1]



[1] Ökaryot mitokondrilerinde ve diğer bazı organizmalarda bazı farklar bulunmuştur. Bu yüzden “genetik şifre evrenseldir” ifadesine “bazı istisnaları olmakla birlikte” ifadesi eklenmiştir. Daha fazla bilgi için bakınız: Brown (2007, sayfa 22).

 

Tablo: VI.1- Hangi kodonun hangi aminoasidi kodladığını gösteren Genetik Şifre.

 
 
VI.2- TRANSKRİPSİYON

Transkripsiyon, genden gen ürünlerine bilgi transferinin ilk adımıdır. Her organizmanın genomundaki DNA dizisinde, organizmanın yapabileceği gen ürünlerinin her birini belirleyen bilgi kodlanmıştır. Bu DNA dizileri ürünlerin ne zaman, nerede ve ne kadar yapılacağını kodlayan bilgileri de ihtiva eder. Ancak bu bilgi DNA dizisinde saklı statik bir bilgidir. Bu bilgiyi kullanılır hale getirmek için, yine DNA dizisini rehber bir kalıp olarak kullanıp ilgili genin bir kopyası olan ara bir molekül sentezlenmelidir. Replikasyondakinden farklı olarak bu ara molekül RNA’dır ve DNA’dan bunun sentezlenme süreci transkripsiyon olarak isimlendirilir.

Bu açıklamalardan anlaşılmış olacağı üzere, DNA’daki genetik bilginin transferi iki yönde olmaktadır: Birincisi DNA’dan DNA kopyalanması, buna replikasyon denilmektedir. İkincisi de DNA’dan gen ürününe doğru olan bilgi transferi, bunun da ilk adımı transkripsiyondur. Bu genetik bilginin bu şekilde iki yönlü transferine merkezi dogmadenilmektedir (Şekil: VI.1).

 

Ökaryotik bir hücrede, DNA çekirdekte bulunur, hâlbuki protein sitoplazmada sentezlenir. Bir aracı gereklidir. Bu aracının RNA olduğu 1957’de Volkin ve Astrachan tarafından E. Coli’de T2 fajıyla yapılan denemelerle ortaya kondu.

 

Benzer bir deneme ökaryotik hücrelerle de yapılabilir. Hücreler önce radyoaktif urasil ile işaretlenir ve kısa bir süre sonra, etiketsiz urasil bulunan bir ortama transfer edilir.

 

İşaretlemeden hemen sonra alınan örneklerde etiketin çoğu çekirdek içindedir. Etiketsiz ortama transfer edildikten bir süre sonra alınan örneklerde ise etiketli RNA sitoplazmada bulunur. Aşikâr olarak, ökaryotlarda RNA çekirdekte sentezlenir ve sonra proteinlerin sentezlendiği sitoplazmaya taşınır. Buna göre de, RNA, DNA ve protein arasında bilgi taşıyan aracı bir moleküldür.

                                                                

Şekil: VI.1- Genetiğin Merkezi Dogması: Genetik Bilgi Transferinde iki istikamet.

 

DNA’nın nükleotid dizisini RNA’ya kopyalama işlemi, yazılı kelimeleri kopya etme işlemini hatırlattığı için bu RNA sentezlenme işlemine transkripsiyon denilmektedir. Sentezlenen RNA’ya da tabiatıyla, transkript denir.

 

Transkripsiyon, bazların, replikasyondaki gibi, tamamlayıcı eşleşmesine dayanmaktadır. Meselâ kromozom üzerinde bir gen uzunluğundaki bir segmentte önce DNA ikili sarmalının iki ekseni birbirinden ayrılır ve eksenlerden birisi RNA sentezi için kalıp eksen olarak davranır. Transkripsiyonun bir özelliği, asimetrik olmasıdır, yani eksenlerden birisi kopyalanır. Kromozom genelinde her iki eksen de kalıp olabilir, fakat herhangi bir gen için sadece bir eksen kullanılır ve daima o gen için o eksen kalıp eksendir. Şekil: VI.2’de görüldüğü gibi, kalıp eksenin okunmasıyla meydana gelen RNA aslında diğer eksenin kopyası olmaktadır, onun için bu kalıp olmayan eksene kodlanan (sense) eksen denilir. RNA’daki baz dizisiyle bu kodlanan eksendeki baz dizisi, DNA’da T’lerin RNA’da U’ya değişmiş olması dışında aynıdır. Onun için çoğu kitapta DNA’daki baz dizilişiyle aminoasit karşılıkları verilirken, mRNA yerine bu kodlanan eksendeki dizi verilir.

                                   

Şekil: VI.2- Şematik olarak Kalıp eksen, kodlanan (sense) eksen ve mRNA

 

Hücrede bir şekilde mevcut ribonükleotidler bu kalıp eksendeki kendisine tamamlayıcı bazlarla eşleşir; daima A ribonükleotidi DNA’daki T ile, G C ile, U A ile ve C ise G ile eşleşir. Her bir ribobükleotid, RNA polimeraz enzimi sayesinde, tamamlayıcı DNA bazının zıttı yönde yerleşir. Bu enzim DNA’ya eklenir ve sürekli büyüyen bir RNA molekülü yapmak üzere, sıradaki ribonükleotidin ribozunun 5’ karbonundan, yeni sentezlenen RNA eksenine kendinden önce bağlanmış olan ribonükleotidin ribozunun 3’ karbonuna bağlar. Kalıp eksen 3’ ucundan 5’ ucuna doğru okunurken yeni sentezlenen RNA da 5’ ucundan 3’ ucuna doğru sentezlenir (Şekil: VI.3).

 

Görüldüğü gibi burada da DNA ve RNA’nın faaliyetinin temeli olan iki fonksiyon bir arada görülmektedir: tamamlayıcı bazların eşleşmesi ve nükleik aside bir protein bağlanması (burada RNA polimerazın bağlanması).

                                                       

Şekil: VI.3- RNA’nın Sentezlenmesi. Uzayan eksenin 3’ ucuna yeni bağlanan nükleotid 5’ ucundan bağlanıyor.

 

 

RNA polimeraz gen boyunca ilerlerken DNA ikili sarmalı da önü sıra açar ve transkribe ettikten sonra hemen geri sarar. RNA molekülü ileri doğru uzarken 5’ ucu kalıptan ayrılır ve transkripsiyon balonu RNA polimerazın ardından kapanır. DNA molekülü üzerinde aynı anda birçok yerde transkripsiyon olduğu gözlenmiştir. Nitekim elektron mikroskobunda tek bir DNA molekülünü terk eden birçok RNA ekseni görülebilmektedir (Griffith ve ark 2008).

 

Transkripsiyon ne zaman ve nerden başlamakta nereye kadar devam edip sonlanmaktadır? Bu soruların cevabını vermek üzere yapılan araştırmalar, herhangi bir yerden, her hangi bir zaman gibi bir belirsizliği ya da tesadüfiliği ortaya koymamış, tersine transkripsiyonun belirli bir yerden başlayan ve belirli bir yerde sonlanan muntazam bir eylem olduğunu göstermiştir. Transkripsiyon, başlama, uzama ve sonlanma şeklinde üç aşama olarak ele alınabilir. Transkripsiyonun bu üç aşama halinde cereyan etmesi genel olarak prokaryotlarla ökaryotlarda aynıdır, az sayıda ama önemli farklar ise yeri geldikçe anlatılacaktır.

 

RNA polimeraz için başlangıç noktası promotor denilen ve kopyalanacak bölgenin 5’ başlangıcına yakın olan özgün bir DNA dizisidir. Bu yüzden promotor, 5’ regülatör bölge olarak da isimlendirilmektedir (Şekil: VI.4). Kopyalanan ilk baz daima aynı yerdedir ve bu yere başlangıç sitesi denir. Transkripsiyon Promotor, başlangıç sitesinin yukarı tarafındadır; yani transkripsiyon istikametinde değildir. Aşağı taraf ise, başlangıç sitesinden transkripsiyon istikametinde daha sonraki bir yeri ifade eder. Teamül olarak kopyalanacak ilk baz +1 olarak işaretlenir; bu başlangıç sitesinin yukarı tarafındaki bazlar (-) işaretle, aşağı tarafındaki bazlar ise (+) işaretle gösterilir. (Griffith ve ark. 2008).

                                                        

Şekil: VI.4- Transkripsiyonun Başlama Bölgesi

 

RNA polimeraz, promotor bölgeye -10 -35 bölgesinden bağlanır. RNA polimeraz bir haloenzimdir, yani bir enzim topluluğudur. Esas olarak kor enzim beş alt üniteden meydana gelmiştir: iki adet α, bir β, bir β’ ve bir ω alt ünitesi. Bu kor enzime ayrıca sigma faktörü denilen σ alt ünitesi transkripsiyonun başlama anında geçici olarak bağlanır.  E.coli’’de çeşitli genlerde yapılan çalışmalar bu -10 ve -35 bölgelerindeki dizilerin benzer olduğunu göstermiştir. Fakat çeşitli organizmalarda çeşitli genler için bu bölgelerin tıpatıp özdeş olması gerekmez.  E.coli içinaraştırmalar bu bölgede çalışılan genler için genellikle benzer bir diziye ulaşmıştır. Bu benzer dizi, E.coli genleri için, küçük farklarla -10 bölgesinde TATAAT ve -35’de TTGACAT şeklindedir. Bu dizilere İngilizcede consensus diziler denir.

RNA polimeraza eklemlenmiş olan sigma faktörü DNA’ya bu -10 ve -35 bölgesinden bağlanır. σ alt ünitesi, DNA eksenlerini -10 bölgesi civarında birbirinden ayırmada da bir role sahiptir. Kor enzim de σ alt ünitesi ile birlikte DNA’ya bağlandıktan sonra transkripsiyon başlar ve sigma faktörü kompleksin geri kalanını terk eder. Genin protein kodlayan kısmı, genetik şifre bahsinde gördüğümüz gibi, ATG kodonuyla başlar. Fakat RNA polimeraz transkripsiyona genellikle bu kodonun yukarı tarafından başlar. Yukarı tarafta sentezlenen bu ATG’ye kadar olan ara bölgeye 5’ tercüme edilmeyen bölge (5’ UTR: 5’ untranslated region) denir. E.coli birkaç farklı σ alt ünitesine sahiptir, bunların çoğu σ70 (ağırlığı 70 kilodakton) alt ünitesidir. Diğer σ alt üniteleri başka promotor dizilerini tanır. Böylece aynı kor enzim farklı σ alt üniteleri ile birleşerek farklı gen setlerini kopyalayabilir.

Transkripsiyon başladıktan sonra ikinci aşama transkripsiyonun devam etmesi, transkript denilen yeni sentezlenen RNA’nın uzamasıdır. RNA polimeraz DNA boyunca ilerlerken bir taraftan önündeki aşağı taraftaki DNA’nın iki eksenini açar ve diğer taraftan da transkripsiyonun tamamlandığı yukarı tarafta iki ekseni yeniden sarmal yapar. Bu şekilde bir ucundan açılmış, bir ucundan tekrar sarmal olmuş bir transkripsiyon balonu içinde kalıp eksen serbest kalmış olur. Balon, RNA zinciri sentezlenmeye devam ederken, aşağı bölgeye doğru RNA polimeraz ile birlikte hareket eder. Balon içinde RNA polimeraz, ortamdaki serbest ribonükleotid trifosfatın DNA kalıp eksende eş uyumu varsa, sentezlenen RNA zincirindeki son ribonükleotidin 3’ ucuna bağlanmasını sağlar. Bir nükleotid ilavesi için gerekli enerji, yüksek enerjili trifosfatın ayrışarak inorganik difosfatın serbest kalmasından elde edilir:

 

                                           DNA

           NTP+(NMP)n                            (NMP)n+1 + PPi

                                           Mg2+

                                      RNA polimeraz

 

                                                                     

Şekil: VI.5- Transkripsiyon Balonunda RNA Polimerazın Faaliyeti

 

 

Şekil: VI.5’te RNA kopyalanmasının balon içinde devam etmesi şematik olarak gösterilmiştir. Balon içinde RNA zincirine eklenmiş olan son 8-10 nükleotid, kalıp eksenle baz eşleşmesi yapar, yani bir DNA-RNA melezi oluşur. RNA zinciri, 3’ ucundan uzamaya devam ederken, 5’ ucu polimerazdan ayrılır ve balondan dışarı çıkar.

 

Transkripsiyonda son aşama, transkripsiyonun bitme aşamasıdır. Bir genin transkripsiyonu, başlangıçtaki gibi, sonda da proteine çevrilmeyen bir bölgeyle devam eder; bu bölgeye de 3’ tercüme edilmeyen bölge (3’ UTR: 3’ untranslated region) denir. Transkripsiyonun sona ermesi için, RNA polimeraz, sonlandırma sinyali olarak davranan hususi nükleotid dizilerini tanımalıdır. Sinyal nükleotidlerle karşılaşınca, RNA Polimeraz RNA kalıptan ve transkripsiyon balonundan ayrılmaya başlar.

 

E.coli’de ve diğer birçok bakteride sonlandırma için bir esas mekanizma, bir de rho mekanizması vardır (Griffith ve ark 2008).

 

Esas mekanizmada, 40 kadar baz çifti ihtiva eden GC bakımından zengin bir bölge vardır. Bu bölgenin hemen peşinde altı veya daha fazla A’dan oluşan bir dizi gelir. Kalıptaki G ve C, RNA’da sırayla C ve G vereceği için RNA da bu bölgede GC zenginidir. RNA’nın bu bölgesindeki G ve C bazları birbiriyle eşleşerek saç tokası şeklini alır (Şekil: VI.6). CG bazları arasında eşleşmede üç hidrojen bağı olduğu için iki eksenli DNA sarmalı bu baz çiftlerinin zengin olduğu bölgelerde daha güçlüdür; eksenlerin birbirinden ayrılması daha zordur. Saç tokası döngüsü, DNA kalıp eksenindeki A tekrarlarından oluşan diziye uygun olarak sekiz kadar U bazıyla devam eder. Normalde RNA polimeraz, transkripsiyon balonundaki kısa DNA-RNA hibriti zayıfsa, senteze ara verir ve bölgeyi stabilize etmek için geri döner. Dolayısıyla saç döngüsünden sonraki bu A-U baz çifti tekrarı iki hidrojen bağından dolayı zayıftır ve enzim burada faaliyetine ara verir ve geri dönmek ister ancak saç tokası döngüsü bir bariyer oluşturduğu için geri dönüş durur ve RNA enzimden, enzim de DNA kalıbından ayrılır.

 

İkinci mekanizmada, Rho faktörü denilen ve RNA polimeraz için, sonlandırma sinyali bölgelerini tanıyan bir proteine ihtiyaç vardır. Rho, altı alt üniteden oluşan bir hekzamerdir. Kalıp eksende sonlandırma sinyali olarak davranan nükleotid dizisinde, C ve G zengini bölge de ondan sonraki A tekrar dizisi de yoktur. Buna karşılık C bakımından zengin G bakımından fakir 40–60 nükleotidlik bir dizi vardır ve bu dizinin yukarı tarafında rut denilen bir segment vardır. Rho proteini, yeni oluşmuş RNA zincirine bu rut bölgesinden bağlanır. Bu rho bağlanan siteler, enzimin ara vermeye meylettiği bölgenin hemen yukarı tarafına yerleşmiştir. Bu bölgeye bağlanan rho, RNA’nın RNA polimerazdan ayrılmasını kolaylaştırır.  

 

                                                                      

Şekil: VI.6- Transkripsiyonun sonunda yeni sentezlenen RNA’da oluşan CG zengini bölge. C ve G’lerin eşleşmesiyle saç tokası şekli ortaya çıkıyor.

 

 

VI.3- ÖKARYOTLARDA TRANSKRİPSİYON

Ökaryotlarda transkripsiyon, prokaryotlardakine benzemekle birlikte biraz daha karmaşıktır. İkisi arasındaki temel farklar Tablo: VI.2’de gösterilmiştir. Bu karmaşıklığın bir sebebi kopya edilmesi gereken DNA miktarının daha fazla ve kodlanmayan DNA miktarının da prokaryotlardakinden çok fazla olmasıdır.

İkinci sebep ökaryotlarda DNA’nın çekirdekte, genetik şifrenin kullanılacağı protein sentezinin ise sitoplazmada olmasıdır. Dolayısıyla prokaryotlarda RNA’ya aktarılan bilgi hemen anında uygun aminoasit dizisine dönüşürken ökaryotlarda RNA’ya bilgi aktarma işi çekirdekte, bu bilginin aminoasit dizisine dönüştürülme işi ise sitoplazmada olmaktadır. Yani prokaryotlarda transkripsiyon ve translasyon aynı ortamda, ökaryotlarda farkı ortamlarda cereyan etmektedir. RNA çekirdeği terk etmeden önce bazı işlemlere tabi tutulur.  Bu işlemler topluca RNA işleme (splicing) olarak isimlendirilir. RNA’yı işlemeden önce ve sonra ayırt etmek için, yeni sentezlenen RNA’ya birincil (primer) transkript veya pre-mRNA denilir ve mRNA terimi, çekirdek dışına ihraç edilebilecek hale tam olarak işlenmiş transkript için kullanılır. Göreceğimiz gibi, RNA’nın 5’ yarısı işleme tabi olurken 3’ yarısı hala sentezlenmektedir.

 

Üçüncü bir fark ise, ökaryotlarda DNA’nın kromatin yapıda organize olmuş olmasıdır. RNA polimeraz enziminin prokaryotlarda çıplak olan DNA’ya erişmesi doğrudan olmaktadır. Ökaryotlarda ise polimeraz kromatin yapıyı geçerek DNA kalıbına erişebilmektedir ki bu da burada ele almayacağımız bir seri ince ve ayrıntılı işlemi gerektirir.

          Tablo: VI.2- Prokaryotlarla Ökaryotlar Arasında Transkripsiyon İşlemine İlişkin Temel Farklar.

Prokaryot

Ökaryot

DNA kromozomlar halinde paketlenmemiş olduğu için transkripsiyon nispeten daha kolaydır

DNA kromozomlarda kromatinler halinde paketlenmiş olduğu için DNA transkripsiyon balonun oluşması ve RNA polimerazın DNA transkripsiyon balonuna ulaşması, nükleozomların çözülmesi gibi, bir seri işlemi gerektirir.

Tüm süreçler bir alanda sitoplazmada gerçekleşir.

Replikasyon ve Transkripsiyon çekirdekte, Translasyon sitoplazmada gerçekleşir.

Bir mRNA molekülünden aynı anda birden fazla polipeptit sentezlenebilir (polisistronik).

Her polipeptit ayrı bir mRNA molekülü tarafından sentezlenir (monosistonik).

Çekirdek olmadığı, tüm süreçler bir alanda olduğu için transkripsiyon devam ederken translasyon başlar.

Transkripsiyon çekirdekte, translasyon sitoplazmada gerçekleştiği için işlemler ayrı ayrı cereyan eder.

Her çeşit RNA molekülü için tek bir RNA polimeraz enzimi vardır

Çeşitli RNA moleküllerini sentezlemek üzere görevli üç ayrı RNA polimeraz vardır.

 

 

 

 

Prokaryotlardaki tek bir RNA polimeraza karşılık, ökaryotlarda transkripsiyon için üç ayrı RNA polimeraz enzimi vardır:

-          RNA polimeraz I rRNA sentezinde (5S rRNA hariç)

-          RNA polimeraz II (RNA pol II) bütün protein kodlayan genleri, yani mRNA kopyalamada ve bazı snRNA kopyalanmasında,

-          RNA polimeraz III ise tRNA ve diğer bazı snRNA ve 5S rRNA sentezinde rol alır.

 

Burada mRNA sentezlenmesine yoğunlaştığımız için RNA pol II üzerinde duracağız.

Ökaryotlarda da RNA pol II kendisi promotor bölgeyi tanımaz. Bu enzimin promotora bağlanması için σ alt ünitesi yerine GTF (genel transkripsiyon faktörleri) denilen proteinlerden bazıları görev yaparlar. Bu proteinler promotordaki dizileri ve birbirlerini tanıyarak bağlanırlar. RNA pol II çekirdeğini harekete geçirip transkripsiyonu başlatmak üzere doğru siteye yerleştirmek de bu proteinlerin işidir. Bu transkripsiyon öncesi dönemde görev yapan GTF’ler, TFIIA ve TFIIB şeklinde gösterilirler. Bu GTF’ler ve RNA polimeraz II çekirdeği, başlangıç öncesi kompleks (PIC) oluştururlar: Her biri bir multi-protein olan altı adet GTF artı bir düzine veya daha fazla protein alt ünitesinden meydana gelen RNA Polimeraz II çekirdeği. Bu çekirdek alt ünitelerinin bazısının aminoasit dizisi mayadan insana aynıdır.

Promotor, ökaryotlarda da başlama sitesinin yukarı tarafına (5’ tarafına) yerleşmiştir. Bu promotor bölgede bir TATA kutusu, başlama sitesinden 30 baz çifti yukarıda (-30) yerleşmiştir. Transkripsiyonda ilk etkinlik TBP (TATA-bağlanma proteini)’nin bu TATA kutusuna bağlanmasıdır. TBP, altı GTF’den birisi olan TFIID kompleksinin bir parçasıdır. TATA kutusuna bağlanan TBP, diğer GTF’leri ve RNA pol II çekirdeğini promotora çeker, böylece başlangıç öncesi kompleksi oluşur. Transkripsiyon başladıktan sonra,  RNA pol II çekirdeği, ilkel RNA transkriptinin sentezini devam ettirmek üzere, GTF’lerin çoğundan ayrılır. GTF’lerin bazısı, bir sonraki RNA pol II çekirdeğini çekmek üzere promotorda kalır. Bu şekilde aynı genden farklı RNA pol II enzimleri, birden fazla RNA transkriptini peş peşe sentezleyebilmektedir. RNA pol II çekirdeğinin GTF’lerden ayrılması, β alt ünitesindeki CTD (Carboxyl tail domain: Karboksil uyruk alanı) denilen bir uzantının fosforilasyonu ile olmaktadır. Özet olarak söyleyecek olursak ökaryotlarda transkripsiyonun başlaması için önce genel transkripsiyon faktörlerinin bazıları tarafından promotor bölge teşhis edilmekte ve bu faktörler çekirdek RNA pol II’yi bölgeye çekerek transkripsiyon başlama sitesine yerleştirmektedir. Sonra da RNA pol II çekirdeği bir şekilde bu faktörlerden ayrılarak transkripsiyona devam etmektedir.

Transkripsiyon işlemi başladıktan sonra esas olarak transkripsiyon balonu içinde devam eder. Ancak yeni sentezlenen RNA’nın akıbeti ökaryotlarda prokaryotlardakinden çok farklıdır. Prokaryotlarda translasyon yeni oluşan RNA’nın 5’ ucundan başlarken 3’ ucunda sentez devam etmektedir. Ökaryotlarda ise mRNA, translasyondan önce başka işlemler geçirmelidir: 1- 5’ ucuna bir şapkanın eklenmesi, 2- intronları elimine etmek üzere RNA’nın işlenmesi (splicing) ve 3- 3’ ucuna adenin nükleotidlerinden oluşan bir kuyruk eklenmesi (Poliadenilasyon işlemiyle bir polyA kuyruğu oluşuyor. Yapılan deneyler bu işlemlerin transkripsiyon esnasında başladığını göstermektedir. Bu sebeple denilebilir ki, yeni oluşan RNA, RNA pol II kompleksinden ayrılırken işlemler de başlar. Öncül mRNA’nın işlenerek olgun bir mRNA haline gelmesinde yukarıda sözü edilen CTD birimi merkezi rol oynamaktadır.

Yeni oluşmuş RNA, RNA polimeraz II’den ilk ayrıldığı zaman, başlık denilen özel bir yapı, CTD ile interaksiyon halinde olan birçok protein tarafından 5’ ucuna eklenir. Başlık, transkripte üç fosfat grubu tarafından bağlanmış olan bir 7-metilguanozin tortusundan ibarettir. Başlık iki fonksiyon yapar. Önce, RNA’yı bozulmaktan korur – ökaryotik mRNA’nın translasyondan önce uzun sayılacak bir yolculuk yapacağı düşünülürse bu önemli bir adımdır.  İkincisi birazdan göreceğimiz gibi, mRNA’nın translasyonu için gereklidir. RNA’nın sentezi, 3’ ucuna yakın AAUAAA veya AUUAA dizisi bir enzim tarafından tanınıncaya kadar devam eder ve bu enzim RNA’nın ucunu bu diziden yaklaşık 20 baz aşağı tarafta keser. Bu kesik uca, polyA kuyruğu denilen 150-200 adeninlik bir uzantı eklenir. Bundan dolayı AAUAAA dizisi bir poliadenilasyon sinyali olarak bilinir.

Başlık takıldıktan sonra, transkripsiyon devam ederken eklemleme (daha önce, splicing karşılığı olarak işleme dedik) denilen bir işlemle eksonların arasındaki intronlar kesip atılarak mRNA’ya polipeptit sentezi için gerekli lineer bir süreklilik kazandırılır. Kesilen intronların sayısı ve büyüklüğü türden türe ve genden gene değişiklik gösterir. Meselâ mayada 6300 genden sadece 200’ünde intronlar vardır. Oysa insan da dâhil memelilerde tipik genlerin intron sayısı farklıdır. Ortalama olarak bir memeli geninde intronlar 2000, eksonlar ise 200 nükleotid büyüklüğündedir. Yani memelilerde DNA’nın büyük bir yüzdesi intron kodlamaktadır. Sıra dışı bir misal insanda bir kas bozukluğuna yol açan Duchenne genidir. Bu gen toplam 2,5 milyon baz çifti boyunca sıralanmış olan 79 ekson ve 78 introna sahiptir. 79 ekson, aradan intronlar kesilip birbirine eklemlendiği zaman 14,000 nükleotidlik bir mRNA oluştururlar. Kesilip atılan bu kadar çok intronun fonksiyonu üzerine tefekkür etmek gerekir. Böyle bir inceleme bizi alternatif eklemleme denilen bir işleme götürür.

Proteinlerin sayısı insanda fonksiyonu belirlenen gen sayısının 3-4 katıdır; 30 binden fazla gen 100 binden fazla protein. Bu durumda birincil transkriptten eksonların farklı kombinasyonlarının eklemlenmesi söz konusudur. Alternatif eklemleme olan genlerin oranı türden türe değişmektedir. Bitkilerde nadir olmakla birlikte insan genlerinin %70’de fazlası alternatif olarak eklemlenmektedir (Griffith ve ark 2008). Organizmalar için ciddi sonuçları olan birçok mutasyon, eklemleme hatalarından kaynaklanmaktadır.

İntronların kesilip atılması ve eksonların eklemlenmesinin çekirdekte cereyan edişi bu kitabın kapsamı dışındadır. Ancak küçük fonksiyonel RNA’ların proteinlerle oluşturduğu kompleksler burada rol oynamaktadır. Bu konuda daha fazla bilgi için Griffith ve ark 2008 önerilir.

Özet olarak söylemek gerekirse ökaryotik birincil mRNA translasyon için sitoplazmaya taşınmadan önce, geniş ölçüde, 5’ ucunda bir başlığa, 3’ ucunda bir polyA kuyruğuna sahip olacak ve intronlar kesilip atılarak eksonlar birbirine eklemlenecek şekilde bir işleme tabi tutulacaktır.

 

VI.4- TRANSLASYON

mRNA’nın üçlü nükleotid dizileri (kodonlar) olarak taşıdığı bilginin ribozomlarda aminoasit zincirine (polipeptitlere) dönüşmesine translasyondenir. Prokaryotlarda, transkripsiyon 3’ ucunda devam ederken, translasyon işlemi ribozoma ulaşmış olan 5’ ucunda hemen başlar. Ökaryotlarda ise mRNA çekirdekte işlenip sitoplazmaya çıktıktan sonra gerçekleşir. İkinci bir fark ökaryotlarda her bir mRNA’dan sadece bir polipeptit sentezlenirken, prokaryotlarda bir mRNA’dan aynı anda birden fazla polipeptit sentezlenebilir. Alternatif eklemlemeyle aynı mRNA’dan faklı polipeptitlerin sentezlenmesi her iki organizma grubunda da söz konusudur; fakat bu farklı hücrelerde ve farklı dönemlerde olur. Burada kastedilen farklılık ise sentezlenen tek bir mRNA’dan peş peşe tranlasyonlardır.

Polipeptitler, proteinlerin alt birimleri olan makro moleküllerdir. Bir protein bir veya daha fazla sayıda polipeptitten oluşur. Polipeptitler de aminoasitlerden oluşmuştur. Bir aminoasit merkezde bir C atomuna bir H, bir amino (NH2), bir karboksil (COOH) ve bir R grubunun bağlanmasından oluşmuş bir yapıdır. Aminoasitler yan zincir de denilen reaktif R gruplarıyla ayırt edilirler. Şekil: VI.7’de görülen genel yapı 20 aminoasit için de geçerlidir. Bu aminoasitler birbirlerine peptit bağları denilen kovalent bağlarla bağlanmıştır. Bir peptit bağı, bir aminoasidin amino (NH2) grubuyla diğer aminoasidin karboksil grubunun (COOH) bir molekül su çıkararak birleşmesidir. Bu durumda her polipeptit zincirinin bir ucunda amino grubu, diğer ucunda da karboksil grubu vardır.

Proteinler bu polipeptit zincirlerinin çeşitli seviyelerde birleşmesinden oluşan kompleks yapılardır. En basit yapı, polipeptit zincirinin kendisidir, bu en basit yapıya birincil yapı denir. Polipeptit zinciri belirli yerlerinden katlanır, katlanma yerlerinde özel bağlar oluşur. Bu ikincil yapı da, bazı proteinlerde kendi üzerinde katlanmalarla tersiyer bir yapıya dönüşebilir. Daha karmaşık proteinlerde, ikincil ve tersiyer yapılar da bir araya gelerek dörtlü organizasyonlar oluşturur. Dörtlü yapılarda bir araya gelen iki veya daha fazla sayıda polipeptit aynı cins ise bunlara homodimer, farklı ise heterodimer yapılar denir. Hemoglobin molekülü heterotetramer yapıya örnektir. İki tip (α ve β) polipeptidin her birinden ikişer molekül bir araya gelmiştir.  

                                H

                                 | 

               H2    C    COOH

                                 |

                                R

Şekil: VI.7- Aminoasitlerin Genel Yapısı

Proteinler şekillerine göre yuvarlak veya lifimsi olarak tasnif edilir. Enzimler yuvarlak, saç veya kas proteinleri de lifimsi şekillere örnek olarak söylenebilir.

Translasyonda görev alan RNA’lar, mRNA yanında tRNA ve rRNA’lardır. Bunlara fonksiyonel RNA dendiğini daha önce görmüştük. Hücredeki RNA’nın büyük çoğunluğu bu fonksiyonel RNA’lardır. Gerçi genlerin çoğu mRNA kodlarsa da fonksiyonel RNA’lar hücre toplam RNA’sının en büyük kısmını oluşturur. Tipik bir ökaryotik hücre bölümlenmesinde, tRNA ve rRNA’lar toplam hücre RNA’sının %95’ini, mRNA ise sadece %5’ini oluşturur. tRNA ve rRNA’ların çokluğunu iki faktör açıklar. Birincisi bunlar mRNA’dan çok daha fazla stabildir, dolayısıyla bu moleküller çok daha uzun zaman bozulmadan dururlar. İkincisi, tRNA ve rRNA genlerinin transkripsiyonu, aktif ökaryotik hücrelerde toplam RNA transkripsiyonunun yarısını ve mayalarda transkripsiyonun hemen hemen %80’ini oluşturur. (Griffith ve ark 2008)

            tRNA, translasyon mekanizmasının ana unsurlarındandır. mRNA’daki kodonlarla eşleşebilen antikodon bölgeye sahiptir (Şekil: VI.8). Antikodon bölgedeki üç nükleotidden üçüncüsü, şifrenin yozlaş olma özelliğine uygun olarak esnektir; kodonun üçüncü nükleotidi kendi hususi eşleniği veya ikinci bir nükleotid olabilir. Antikodonun bu üçüncü nükleotid pozisyonuna hidrojen bağıyla bağlanabilecek kodonun üçüncü nükleotidinin hangi nükleotid olabileceğini gösteren kurala wobble (tereddüt, oynaklık) kuralı denir. Tablo: VI.3 wobble kuralını göstermektedir, tabloda beşinci satırdaki I, tRNA’larda genellikle antikodonun wobble pozisyonunda çok nadir olarak bulunabilen inosin bazı için kullanılmıştır. mRNA 5’3’ yönünde okunduğu için tRNA 3’5’ yönünde yazılmış ve yönlendirilmiştir (Şekil: VI.9).

tRNA’nın 3’ ucunda daima bir A nükleotidi vardır buraya antikodon bölgeye uygun aminoasit bağlanır. Uygun aminoasitlerin tRNA’ya bağlanma işini aminoasil-tRNA sentetaz enzimi sağlar. Bu enzimden hücrede her aminoasit için bir tane olmak üzere toplam 20 adet vardır. Her aminoasit kendi sentetaz enzimiyle uygun antikodona sahip olan tRNA’ya 3’ ucundan bağlanır. Aminoasit bağlı tRNA’ya “şarj olmuştur, yani yüklenmiştir” denir. tRNA’nın gerçek şekli, şekil: VI.8’de sağda gösterilen ve x ışınlı kristalografi yoluyla elde edilmiş olan şekle daha uygundur. Nükleotid dizileri farklı olmakla birlikte bütün tRNA’lar, antikodon ve 3’ aminoasil ucu dışında aynı şekle sahiptir.

Tablo: VI.3- Wobble kuralına göre mümkün olan kodon - antikodon eşleşmelerinde
                      üçüncü pozisyondaki bazlar (Griffith ve ark 2008).

Antikodonun 5’ ucundaki baz

Kodonun 3’ ucundaki baz

G

C veya U

C

G

A

U

U

A veya G

I

U, C veya A

     

                                                                                  Şekil: VI.8-tRNA Yapısı

 

                                                                                 

Şekil: VI.9- tRNA antikodon ve üçüncü nükleotid Wobble pozisyonu

Translasyon hücre organellerinden ribozomlarda gerçekleşir. Bir ribozom iki alt birimden oluşmuştur; bu birimler ribozom faal değilken birbirinden bağımsızdır. Ribozom faal hale geçtiğinde bu büyük ve küçük üniteler bir araya gelir (Şekil: VI.10). Büyük alt ünitede, translasyon esnasında tRNA’ların yerleştiği üç bölge vardır: A, P ve E bölgeleri. Alt ünite ise mRNA’nın yerleştiği bir yapıdır.

                                                        

                                                                         

Şekil: VI.10- Ribozom; büyük ve küçük alt üniteler

Translasyon işleminde, başlama dışında ökaryotlarla prokaryotlar arasında fark yoktur. Prokaryotlarda başlama, mRNA’nın AUG başlama kodonundan hemen önceki 5’UTR bölgesinden de önceki tarafta bulunan bir bölgeden başlar, bu bölgedeki diziye shine-delgarno dizisi denir. Bu diziler ribozomun alt ünitesinde rRNA’nın 3’ ucuyla birleşir. Ribozomun alt ünitesi mRNA ile bağlanırken büyük üniteden ayrışmış durumdadır. Bu mRNA bağlı küçük alt üniteye bazı proteinlerin yardımıyla doğru (Metionin uçlu) tRNA’nın antikodonunun, mRNA’daki start kodonuyla eşleşecek biçimde gelmesi sağlanır. Böylece ribozom alt ünitesi, mRNA ve tRNA üçlü bir başlangıç kompleksi oluşturur. Sonra büyük alt ünite bu kompleksle, tRNA P bölgesine yerleşecek şekilde birleşir ve bu arada başlangıç için gerekli protein üniteleri ribozomdan ayrılır. Ribozom mRNA’nın 5’ ucundan 3’ ucuna doğru hareket eder.

Prokaryotlarda translasyon işlemi, transkripsiyon işlemi bitmeden başlar. mRNA’nın 5’ ucu ribozomun alt ünitesine ulaştığında 3’ ucunda zincir uzamaya devam ediyordur.

Ökaryotlarda translasyon işleminin başlaması da benzer şekilde olur. Ancak transkripsiyon ve translasyon işlemleri farklı yerlerde olduğu için çekirdekten dışarı işlenmiş olarak çıkan olgun mRNA ile translasyon işlemi gerçekleşir. Prokaryotlardaki shine-delgarno dizisi yerine doğrudan 5’ ucundaki şapka rRNA ile birleşir. Yine prokaryotlardaki gibi, uygun proteinler yardımıyla mRNA, ribozomun alt ünitesi ve başlangıç aminoasidi olan metionini taşıyan tRNA bir başlangıç kompleksi oluşturur. Ribozomun büyük alt ünitesi tRNA P bölgesine yerleşecek şekilde bu kompleksle bütünleşirken yardımcı proteinler kompleksten ayrılır. İşlem başladıktan sonra ribozomun alt ve üst ünitesi birleşmiş olarak kompleks mRNA’nın 5’ → 3’ yönünde hareket eder.

            Polipeptit sentezleme işlemini yapan ribozom tam bir fabrika durumundadır. Uygun antikodon bölgeye sahip aminoasil – tRNA, A bölgesine gelir ve önceden gelip P bölgesine geçmiş olan tRNA’nın aminoasidiyle bir peptit bağı oluşturur. Aminoasit yükünden kurtulmuş olan tRNA, E bölgesine geçerken, iki aa yüklü haldeki tRNA P bölgesindedir. Bu esnada A bölgesine yeni bir aminoasil-tRNA gelmiştir. Translasyon işlemi şekil: VI.11’de şematik olarak gösterilmiştir.

Şekil: VI.11- Şematik Olarak Translasyon Mekanizması

[1] Ökaryot mitokondrilerinde ve diğer bazı organizmalarda bazı farklar bulunmuştur. Bu yüzden “genetik şifre evrenseldir” ifadesine “bazı istisnaları olmakla birlikte” ifadesi eklenmiştir. Daha fazla bilgi için bakınız: Brown (2007, sayfa 22).

Site içi arama

Site düzenlemesi Crystal Studio