Transcript ffmbg103-genetik kod ve transkripsiyon

1
FFMBG-103 MOLEKÜLER
BİYOLOJİ VE GENETİK 1
13 Nisan 2015
Pazartesi
GENETİK ŞİFRE VE TRANSKRİPSİYON
Gen
Genetik Bilgi Akışı
Gen ifadesi (Gen
ekspresyonu)

DNA kalıp zinciri
Transkripsiyon +
translasyon
Genler transkripsiyon ve
translasyon yoluyla
proteinleri belirlerler
Üçlü kodon sözcükleri
Genler ve proteinler arasındaki
temel ilişkinin keşfi...
3


Metabolik bozukluların çalışılmasıyla elde edilen
Kanıtlar
1909, İngiliz fizikçi Archibald Garrod

“Genler hücrede spesifik (özgül) kimyasal olayları
katalizleyen enzimler aracılığı ile fenotipi belirler”
13 Nisan 2015 Pazartesi
Neurospora da beslenme mutantları:
Bilimsel sorgulama
4

Beadle ve Tatum -X ışınları ile ekmek küfünün
mutasyona uğratılması
 Oluşan
mutant hücreler yabanıl hücrelerin yaşayabildiği
minimal besiyerinde üreyemez

Bir gen bir enzim hipotezi, 1958 Nobel Ödülü:
“ Genlerin belirli kimyasal olayları
düzenlemede işlev gördüklerine ilişkin keşif”
13 Nisan 2015 Pazartesi
Neurospora da beslenme mutantları: Bilimsel
sorgulama, Adrian Srb-Norman Horowitz
5


Genetik çaprazlamanın kullanımı
Mutantları üç sınıfa ayrılır ve her biri farklı bir gende
mutasyona sahiptir
DENEY
SONUÇLAR
Küf Neurospora crassa, ile çalışan George Beadle ve Edward Tatum ın deneysel yakaşımını kullanarak üreme
ortamlarında arjinine gereksinim duyan ve her biri farklı bir gende bozukluğa sahip üç farklı mutant izole ettiler.
Onlara göre, arjinin biyosentezinin metabolik yolunda ornitin ve sitrulin öncüllerini ngerektiğinden
şüphelendiler. Bu şekilde deneylerinde hem bir gen bir enzim hipotezini hem de arjinin biyosentez yolunu test
ettiler. Dört farklı koşulda kendi üç mutant sınıflarını üretmeye çalıştılar.
Yabanıl tip suş üremesi için sadece mininmal besiyerine gereksinim duymakta ,iken üç tip mutant
farklı üreme gereksinimlerine sahiptirler.
Wild type
Class I
Mutants
Class II
Mutants
Class III
Mutants
Minimal
medium
(MM)
(kontrol)
MM +
Ornithine
MM +
Citrulline
MM +
Arginine
(kontrol)
13 Nisan 2015 Pazartesi
Neurospora da beslenme mutantları: Bilimsel sorgulama,
Adrian Srb-Norman Horowitz
6
ÇIKARIM
Mutantların üreme gereksinimlerinden yola çıkarak, Srb ave Horowitz her bir mutantı arjinin
sentezleme yolundaki bir basamağı büyük olasılıkla gerekli enzim noksalığından dolayı
gerçkleştiremediği sonucuna vardılar. Mutantlatının herbiri tek bir gende mutasyona sahip
olduklarından her b,r genin normal olarak bir enzimin üretiminden sorumlu olması gerektiği hipotezini
desteklediler ve ayrıca arjinin yolağının bu küfte çalıştığını doğruladılar
Gene A
Wild type
Class I
Mutants
(A geninde
mutasyon)
Öncül
Öncül
Enzim
A
Ornithine
Gene B
Enzim
B
Citrulline
Gene C
Enzim
C
Arginine
A
Class II
Mutants
B geninde
mutasyon
Class III
Mutants
(C geninde
mutasyon)
Öncül
A
Öncül
A
Ornithine
Ornithine
Ornithine
B
B
B
Citrulline
Citrulline
Citrulline
C
C
C
Arginine
Arginine
Arginine
13 Nisan 2015 Pazartesi
Bir gen bir enzim hipotezinin revizyonu-Bir gen
bir polipeptit hipotezi
7





Proteinlerin hepsi enzim değildir, enzim olmayan
proteinler de gen ürünüdür
Pekçok protein birden fazla polipeptiti zincirinden
oluşur ve her polipeptit kendi geni tarafından belirlenir,
i.e. hemoglobin iki gen tarafından kodlanır
Bir gen bir polipeptit hipotezi daha uygun olabilir,
Ancak;
Birçok ökaryotik gen birbiri ile yakından ilişkili bir dizi
polipeptidi şifreleyebilir-alternative splicing
Hiçbir zaman proteine çevrilmeyen bazı genlerin varlığıi.e. RNA molekülleri
13 Nisan 2015 Pazartesi
8
Transkripsiyon ve translasyonun
temel prensipleri

Transkripsiyon
 DNA’nın
yönetimi altında RNA sentezi
 Messenger RNA (mRNA): DNA’daki genetik bilgiyi
hücrenin protein sentezi makinesine taşıyan molekül

Translasyon
 mRNA’daki
bilgilerin kullanılmasıyla bir polipeptidin
sentezlenmesi
 Ribozomlar: mRNA’daki nükleotid dizisinin bir
polipeptidin aminoasit dizisi şeklinde tercüme edildiği
yer
13 Nisan 2015 Pazartesi
Transkripsiyon
9
Hücre zarfı
DNA
TRANSKRİPSİYON
DNA
TRANSKRİPSİYON
öncül-mRNA
RNA PROSESİ
mRNA
Ribozom
mRNA
TRANSLASYON
Ribozom
Polipeptit
TRANSLASYON
Polipeptit
Şekil
23
(b)
(a)
DNA
RNA
PROTEİN
13 Nisan 2015 Pazartesi
Santral Doğma,
1956 Francis Crick
Genetik Kod
10







20 temel amino asit
4 tip nükleotit
Bir amino aside kaç
nükleotit karşılık
gelmekte?
AG,
GT, her pozisyonda olası
4 farklı baz--42= 16
20 aminoasidin hepsini
kodlamak için yetersiz!




Kodon: Nükleotid
üçlüleri
Art arda dizilmiş 3
baz bir aminoasidi
tanımlar
43= 64
Genden proteine bilgi
akışı üçlü koda
dayanır
13 Nisan 2015 Pazartesi
Genetik şifre ve özellikleri
11


mRNA, ribonükleotitlerin doğrusal
diziliminden oluşur.
Her üç ribonükleotit, bir kodon
oluşturur.
 Her bir kodon bir
aminoasit belirler.

Genetik şifre özgündür.

Genetik şifre dejeneredir.

Şifrede “Başla” ve “Dur”
kodonları vardır.

Şifrede duraksama yoktur.

Şifre üst üste çakışmaz.

Şifre evrensel denilebilir (!)
13 Nisan 2015 Pazartesi
Genetik şifre ve özellikleri
12



Kodun üçlü doğası_ 250 kelimeye denk gelen
dörtlü bir kod olsaydı, gereksiz ve kompleks
olurdu!
Kodun çakışmama özelliği_ genetik kod çakışmaz,
translasyonda her bir kodon bir aminoaside
karşılık gelir
Kesiksiz ve dejenere oluşu_Okunan parçada
herhangi bir duraksama olmaz ve birden fazla
kodon tarafından bir aminoaside karşılık gelebilir
13 Nisan 2015 Pazartesi
Genetik Şifrenin çözülmesi: Nirenberg, Matthaei
ve diğer araştırmacıların çalışmaları





Hücresiz sistemde polipeptit sentezi
Homopolimer şifreler
Karışık kopolimerler
Üçlü (triplet) bağlama deneyleri
Tekrarlanan kopolimerler
Hücresiz ortamda mRNA sentezi
(Sentetik mRNA ların sentezinde işlev görür)
Reaksiyondaki denge durumunda RNA’nın degredasyonu öne çıkar ancak güç uygulanarak sentez desteklenebilir
Homopolimer şifreler
15
Karışık Kopolimerler

1A:5C oranındaki
(1/6A:5/6C) karışık
kopolimer deneyinin
sonuçları ve
yorumları.
Üçlü bağlama deneyi
UUU üçlüsü kodon gibi davranarak antikodonu AAA
olan tRNAphe ‘yi bağlar
Di-, tri ve tetranükleotitlerin tekrarlayan
kopolimerlere dönüşümü
Genetik şifreleme sözlüğü

Başlama kodonu:


AUG
Dur Kodonları:



UAG
UGA
UAA
Dejenere Şifre ve Wobble hipotezi





Genetik şifre dejeneredir.
Sadece Triptofan ve Metionin bir kodonla
belirlenir.
Geri kalan tüm aminoasitlerin birden fazla
kodonu vardır.
Aynı aminoasiti belirleyen kodonların ilk iki bazı
aynıdır.
3. bazın değişkenliği, Wobble hipotezi ile
açıklanır.
Kodon-antikodon ilişkisi

Wobble sayesinde
tRNA’daki bir
antikodon, mRNA’da
birden fazla kodonla
eşleşebilir.
Genetik Şifrenin Evrenselliği
Genetik şifre hemen hemen evrenseldir.
Genetik şifre, farklı canlı gruplarında büyük oranda
benzerlik gösterir
 Bakterilerden elde edilen hücreden arı protein sentez
sisteminde de translasyon yapabilmektedir
 Tavşan ve fare mRNA’ları kurbağa yumurtalarında
etkin biçimde transle edilmektedir.
 Bununla birlikte evrensel genetik şifreden sapma
gösteren bazı istisnalar da vardır.

Evrensel kodun istisna durumları
23
13 Nisan 2015 Pazartesi
Çakışan genler..
24
13 Nisan 2015 Pazartesi
25
RNA: DNA ve protein arasındaki
aracı molekül
Ökaryotik hücrelerde DNA’nın çoğu çekirdekte
bulunurken proteinler sitoplazmada sentezlenir.
 RNA ökaryotik hücrenin çekirdeğinde
sentezlenir ve kimyasal olarak DNA’ya benzer.
 RNA’nın çoğu sitoplazmaya taşınır.
 Genellikle hücredeki RNA miktarı, protein
miktarı ile orantılıdır.

13 Nisan 2015 Pazartesi
RNA çeşitleri
26







tRNA - küçük, 80 nt uzunlugunda, antikodon sekansı içeren, single strand ve
ikincil katlanmalar geçirmis bir moleküldür. mRNA’daki bilgileri okur ve
uygun amino asidleri ribozoma taşır.
rRNA - ribozomların yapısal bileşenidir.
mRNA- bir gen veya gen seti ile bir veya daha fazla polipeptidin amino
asid dizisini kodlar.
hnRNA- ökaryotlarda olgunlasmamıs öncül mRNA (pre-mRNA) molekülüdür.
small nuclear RNA (snRNP's)- spliceosome olusumunda yapısal ve katalitik
rol oynar. 5 snRNP's spliceosome yapısına katılır. [U1, U2, U4, U5, & U6];
SRP (signal recognition particle)- scRNA, ER’a hedeflenmeyi saglayan
protein-RNA kompleksinin bilesenidir ve polipeptitteki sinyal dizilim ile
belirlenir.
micro RNA's (micro-RNA)- antisense RNA & interfereing RNA olarak da
adlandırılır. mRNA baglanarak inaktive eden 20-24 nt uzunlugundaki kısa
RNA molekülleridir.Gen ekspresyonunu regüle eder.
13 Nisan 2015 Pazartesi
27
Transkripsiyonun moleküler
elemanları
RNA polimeraz enzimi
İki DNA zincirini açmak, ayırmak ve kalıp DNA zinciri
boyunca baz eşleşmesi yapan RNA nükleotidlerini
birbirine bağlamak
5’ 3’ yönünde polinükleotit oluşturabilirler
 Trankripsiyon birimi: RNA molekülünün sentezinde
transkripsiyon geçiren DNA
 Promotor: RNA polimerazın bağlandığı ve
transkripsiyonun başlatıldığı DNA dizisi
 Terminatör: Transkripsiyonun sonlanma sinyalini veren
DNA dizisi

13 Nisan 2015 Pazartesi
RNA Polimeraz ve RNA Sentezi






DNA kalıbı üzerinden RNA sentezi, RNA polimeraz
enzimi tarafından gerçekleştirilir.
RNA polimeraz, DNA polimerazla aynı genel
substratlara ihtiyaç duyar.
Ancak dNTP yerine NTP kullanır.
Ve primere ihtiyaç duymaz.
Transkripsiyon için bir “bubble” gereklidir. Bu E.
coli’de 17 baz çifti uzunluğundadır. E. coli’de zincir
uzama hızı 50-90 nükleotid/saniye’dir
Sentez için DNA-bağımlı RNA polimeraz, bir DNA
şablonu, nükleozid 5´ trifosfatlar (ATP, GTP, UTP ve
CTP) veya Mg2+ gereklidir
RNA Polimeraz Enzimi
Enzimin aktif formuna holoenzim denir
 Holoenzim, 2a, b, b’ ve s alt birimlerinden oluşur.
b ve b’ katalitik bölgelerdir ve transkripsiyon için
aktif merkezi oluştururlar.
s alt birimi, transkripsiyonun başlamasında
görevlidir ve düzenleyici işlevi vardır.
 E.coli’ de enzim tek formdadır, ancak birkaç
değişik sigma faktörü vardır (varyasyon).
 Ökaryotlarda RNA polimeraz üç değişik formda
bulunur.

Transkripsiyon elemanları
30
RNA polimeraz
core enzimi
13 Nisan 2015 Pazartesi
31
Promotorlar, Kalıba Bağlanma ve
Sigma Alt Birimi

DNA’nın transkripsiyona uğrayan zinciri kalıp, eşleniği olan zincir de eş
zincir adını alır.
Transkripsiyon, kalıba bağlanma, başlangıç, zincir
uzaması ve sonlanma aşamaları halinde
gerçekleşir.
 Kalıba bağlanma, RNA polimerazın sigma alt
birimi ile DNA’nın özgül promotor dizisine
bağlanması ile gerçekleşir.
 Promotor, genin transkripsiyon başlangıç noktasının
gerisinde 5’ ucundadır.

13 Nisan 2015 Pazartesi
Promotor








Promotor, RNA polimerazın transkripsiyonu başlatmak üzere
DNA’ya bağlandığı özel bölgelerdir.
Promotor mutasyonları gen ifadesini önemli biçimde
azaltır/artırır.
Promotorlarda, türler arasında korunmuş konsensüs diziler
vardır.
Bakteriyel promotorlarda -10 (TATAAT) ve -35 ) olmak
üzere iki konsensüs dizi bulunmuştur.
Transkripsiyonun başlangıcından -10 nükleotit yukarısı: “-10
bölgesi” yada “pribnow box” olarak adlandırılır
-35 bölgesi- cis-acting elements
Ökaryotik promotorlarda da -10 dizisine benzer konsensüs
diziler (homoloji gösteren diziler) bulunmuştur (TATA kutusu)
Farklı sigma alt birimleri, farklı promotorlara bağlanarak
transkripsiyon özgüllüğü sağlar.
RNA polimeraz promotorları
TTGACA
TATAAT
Konsensus -10 , -35 dizilerinden sapma daha zayıf bir gen
Ekspresyonuna yol açar
Bakteryel sigma faktörleri






Sigma faktörleri “transkripsiyon faktörleri” dir
Farklı sigma faktörleri RNAP bağlanır ve spesifik -10 ,35 dizilerini tanırlar
DNA sarmalını ayırarak transkripsiyon başlangıç
bölgesinin oluşmasını sağlar
Çoğu bakteri majoör ve alternatif sigma faktörlerine
sahiptir
Gen ekspresyonunda ciddi değişmeleri gerçekleştirir
 E. coli 7 sigma factors
 B. subtilis 18 sigma factors
Genellikle, daha değişken çevrelerde yaşayan
bakteriler daha fazla sigma faktörüne sahiptirler
Transkripsiyonun Basamakları
RNA polimerazın kalıp DNA ya bağlanması ve
transkripsiyonun başlaması
36
Eş
zincir
Kalıp
zincir
Ribonükleotitlerin
eşleşmesi
Yeni
sentezlen
en RNA
13 Nisan 2015 Pazartesi
E. coli RNA
polimeraz ile
transkripsiyonun
başlama
basamakları
Zincirin uzaması
38
ayrılır
~8 bp RNA sentezinden sonra
DNA-RNA hibridi
~3-12 bç uzunlukta
3’ ucunda
Oluşan RNA transkripti
13 Nisan 2015 Pazartesi
Transkripsiyonun Sonlanması


Rho-dan bağımsız (daha yaygın)
Rho-ya bağımlı
Rho-dan bağımsız sonlanma
• terminatör dizisi iki özelliğe sahiptir:
Bir seri U dizisi
GC-bakımından zengin kendine komplementer bölge
• GC-ce zengin diziler stem-loop oluştururlar
• Stem-loop RNAPnin durmasına neden olur
• U dizeleri kararsız olup RNA zincirinin bırakılmasını sağlarla
(A ile zayıf bağ yapar)
Rho-bağımlı sonlanma





Rho hekzamerik bir proteindir
RNA nın 70-80 bazlık kısmını
etrafına sarar
Rho ATPaz aktivitesine sahiptir ve
RNAP ye kadar ilerleyerek
DNA/RNA hibridini ayırır
Terminasyonun Rho proteininin
RNAP yi yakalama yeteneğine
bağlı olduğu gözükmektedir
Net bir dizi benzerliği yoktur,
nispeten nadir olarak görülür
Transkripsiyonel attenuasyon


Attenuator bölge = DNA dizisi olup RNAP nin
transkripsiyona devam mı yoksa son mu vereceği yerdir
trp operon
Baz eşleşmesi için
4 RNA bölgesi

2; 1 ya da 3 eşleşir

3 ; 2 ya da 4le eşleşir

Trp-tRNATrp konsantrasyonu
Attennüasyonun kaderini belirler

Yüksek Trp
konsantrasyonunda,
Transkripsion Rho-bağımsız
yoldan sonlanır

Anti-termination
λ phage encode protein that prevents termination
Replikasyon-Transkripsiyon: Farklar
44






Replikasyonda tüm kromozom kopyalanırken
transkripsiyonda sadece ilgili gen ya da gen grubu
kopyalanır.
Genetik bilginin ekspresyonu o andaki ihtiyaca bağlıdır.
Her dokuda aynı anda farklı genlerin transkripsiyonu olur
DNA segmentinin başı ve sonunu belirleyen spesifik
düzenleyici dizeler hangi DNA segmentinin kalıp olarak
kullanılacağını gösterir.
Transkripsiyon bir primer’e ihtiyaç duymaz.
Transkripsiyon için sadece bir DNA zinciri kalıp olarak iş
görür.
RNA polimerazın proofreading aktivitesi yoktur.
13 Nisan 2015 Pazartesi
45
Video overview of transcription
Prokaryotic transcription
13 Nisan 2015 Pazartesi