Embed Size (px)
Citation preview
7. PROKARYOTLARDA GEN İFADESİNİN DÜZENLENMESİ
1. Prokaryotlar gen ifadesini çevre koşullarına göre düzenler2. E. Coli’de laktoz metabolizması3. Lac operonu – negatif kontrol4. CAP – pozitif kontrol5. Triptofan – negatif kontrol
Başlıklar
1. Gen ifadesi nasıl kontrol edilir?
3
• Genler açılıp kapanabilir = protein üretimi sürekli
değildir
• İlk kanıtlar E. Coli:
• Genomun şifrelediği yaklaşık 4000 kadar polipeptidin
derişimlerinin oldukça değişkenlik gösterdiğini ortaya
çıkarmıştır.
• Prokaryot gen ürünlerinin büyük bir kısmı hücrede
sürekli olarak bazal seviyede (birkaç kopya)
bulunmasına rağmen, gerektiğinde miktarları
olağanüstü artabilir.
• O halde genetik bilginin ifadesini kontrol eden temel
kontrol mekanizmaları bulunmalıdır.
2. Prokaryotlar çevre koşullarına cevap verir
4
• Bakteriler yalnızca çevre koşullarındaki
değişikliklere cevap vermezler.
• Aynı zamanda, çeşitli normal hücresel olaylardaki (replikasyon, rekombinasyon, DNA hasarı tamiri)
ve hücre bölünmesi ve gelişimindeki gen aktivitelerini de düzenlerler
2. Prokaryotlar çevre koşullarına cevap verir
• 1900’lerde mayanın, laktozluüreme ortamında laktozmetabolizmasına özgülenzimleri üretmeye başladığı saptanmıştır.
• Ortamda laktozbulunmadığında bu enzimlersentezlenmemektedir.
• Bu tip enzimlere, uyumsağlayan (adaptif) veya fakültatif enzimler de denir.
5
6
• Hücrede, çevrenin kimyasal koşullarına bakılmaksızın sürekli olarak sentezlenen enzimler ise temel (konstitütif) enzimler
olarak adlandırılır.
• Diğer bir tip düzenlenme ise belirli bir molekülün varlığı ile genetik ifadenin baskılanmasıdır.
• Örneğin, bakteri hücreleri triptofan amino asitini sentezleyebilir.
• Eğer triptofan dışardan besin olarak eklenirse hücreler
triptofan üretimini durdurur.
• Triptofanın ifadesini yöneten sistem baskılanabilir sistem
olarak tanımlanır.
2. Prokaryotlar çevre koşullarına cevap verir
2. Prokaryotlar çevre koşullarına cevap verir
7
• Uyarılabilen ya da baskılanabilen düzenlenme,
negatif ya da pozitif kontrol altında bulunabilir.
• Negatif kontrol: Bir çeşit düzenleyici molekül
tarafından engellenmediği sürece genetik ifade
gerçekleşebilir.
• Pozitif kontrol: Sadece bir molekül, RNA sentezini
doğrudan uyarırsa transkripsiyon gerçekleşir.
3. Laktoz metabolizması
8
• Laktozun varlığında, laktoz metabolizmasında yer alan enzimlerin miktarı hızla artmaktadır.
• Bu durumda, laktoz metabolizmasından sorumlu
enzimler uyarılabilen enzimlerdir.
• Burada laktoz, uyarıcı olarak yer almaktadır.
3.1 cis-etkili (aynı-etkili) bölge
• Prokaryotlarda, birbiri ile ilişkili işlevleri olan enzimleri kodlayan
genler (örneğin, laktoz metabolizması ile ilgili genler) kümeler halinde bulunur.
• Tek bir düzenleyici birimin genetik kontrolü altındadır.
9
3.1 cis-etkili bölge
• Bu düzenleyici bölge, genellikle kontrol ettiği gen kümesininyukarı (öncesinde) kısmındadır.
• Bu bölge cis-etkili (aynı DNA zinciri üzerinde bulunan) bölgeolarak tanımlanır.
• Düzenlenme, transkripsiyonu kontrol eden moleküllerin buraya bağlanmasıyla olur.
• Bağlanan moleküller ise trans-etkili elementler olarak adlandırılır.
• Bu elementlerin bağlanması negatif veya pozitif etki yapabilir
10
3.2 Lac operonu: Uyarılabilen operon
• Laktoz metabolizması, kümedeki
üç yapısal genin işlevine bağlıdır.
• Üç yapısal gen ve bitişiğindekidüzenleyici bölge laktoz ya da
lac operonunu oluşturmaktadır.
• Bu üç gen tek bir birim halinde
transkripsiyona uğrayarak bir
mRNA oluştururlar
• Üç gen ürününün translasyonu
tek bir mRNA’dan yapıldığı için,
düzenlenmeleri de birlikte
yapılmaktadır.
11
3.2 Lac operonu
• Laktoz, yapısal genleri nasılaktifleştirmektedir?
12
3.3 Operon modeli: Negatif kontrol
1. Laktoz yokluğunda, Lac I geni bir baskılayıcı molekül kodlar
2. Bu baskılayıcı molekül operatör bölgeye bağlanır ve RNA polimerazın ilerlemesini engeller
13
Laktoz yok Baskılanır
Baskılayıcı operatöre bağlanır ve transkripsiyonu engeller
Transkripsiyon olmaz
Enzimler üretilmez
3.3 Operon modeli: Negatif kontrol3. Ortamda laktoz bulunduğunda, laktoz bu baskılayıcı moleküle
bağlanır ve yapısında değişikliğe yol açar
4. Baskılayıcı, operatör DNA’ya bağlanamaz.
5. RNA polimeraz yapısal genlerin transkripsiyonunu gerçekleştirir.
6. Laktoz metabolizması için gerekli olan enzimler sentezlenir.
14
Laktoz var Uyarılır
Baskılayıcı operatöre bağlanamaz ve transkripsiyonu olur
Transkripsiyon
Translasyon
Operatöre bağlanma bölgesi değişir
Enzimler üretilir
• Transkripsiyon, yalnızca, baskılayıcının operatör bölgeye
bağlanamadığı zaman gerçekleştiği için, düzenle negatif
kontrol altında olduğu söylenir.
• Laktoz olmadığında, laktozu metabolize edecek enzimleregerek yoktur.
• Dolayısıyla sentezleri baskılanır.
• Laktozun tümü metabolize edildiğinde ortamda
baskılayıcıya bağlanacak laktoz kalmaz.
• Baskılayıcı serbest kalır ve transkripsiyon tekrar baskılanır.
15
3.3 Operon modeli: Negatif kontrol
• Negatif kontrol: Bir çeşit düzenleyici molekül tarafından engellenmediği sürece genetik ifade gerçekleşebilir.
• Pozitif kontrol: Sadece bir molekül, RNA sentezini doğrudan uyarırsa
transkripsiyon gerçekleşir.
3.4 Lac operonunun pozitif kontrolü:Katabolit aktifleştirici protein (CAP)
17
• β-galaktozidaz’ ın rolü; laktozu, glukoz ve galaktoz
bileşenlerine parçalamaktır.
• Daha sonra galaktoz, hücrede kullanılmak üzere glukoza
dönüştürülür.
• Hücre kendisini bol miktarda hem laktoz hem de glukoz içeren bir ortamda bulursa ne olur?
3.4 Lac operonunun pozitif kontrolü:Katabolit aktivatör protein (CAP)
18
• Hücrenin β- galaktozidaz üretmek için laktoz tarafındanuyarılması enerjinin verimli kullanılması bakımından uygun
değildir.
• Çünkü hücrenin ihtiyacı olan glukoz zaten ortamdadır.
• Böyle bir koşulda, katabolit-aktivatör protein (CAP) olarak adlandırılan başka bir molekül işe karışmaktadır.
• CAP, ortamda glukoz varken lac operonunun ifadesini
baskılar.
• Katabolit baskılama olarak adlandırılan bu baskılanma, laktoz varlığında bile sadece glukozun kullanılacağını göstermektedir.
3.4.1 CAP’ın düzenlemedeki rolü• Ortamda glukoz yokken ve laktoz varken, CAP molekülü CAP
bölgesine bağlanarak RNA polimerazın promotora
bağlanmasını kolaylaştırır
• Dolayısıyla da transkripsiyonu kolaylaştırmakta ve pozitif kontrol etkisi göstermektedir.
19
• Negatif kontrol: Bir çeşit düzenleyici molekül tarafından engellenmediği sürece genetik ifade gerçekleşebilir.
• Pozitif kontrol: Sadece bir molekül, RNA sentezini doğrudan uyarırsa
transkripsiyon gerçekleşir.
• Ortamda hem glukoz hem laktoz olduğunda glukoz, cAMP
seviyesini düşürür.
• Bu durumda CAP, CAP-cAMP kompleksini oluşturamaz.
• Dolayısıyla RNA polimeraz verimli şekilde transkripsiyon yapamaz
20
3.4.1 CAP’ın düzenlemedeki rolü
21
4. Triptofan (trp) operonu:Baskılanabilen operon
22
• E. coli, amino asitlerin biyosentezi için gerekli olan enzimleri ve
diğer temel makromolekülleri üretebilmektedir.
• Üreme ortamında yeterli miktarda triptofan varken, triptofan
sentezinden sorumlu enzimler sentezlenmez
• Triptofan operonu.
4.1 Baskılama mekanizması
23
• Normalde inaktif olan baskılayıcı tek başına operonun
operatör bölgesine bağlanamaz.
• Ortamda triptofan bulunuyorsa;
• Triptofan baskılayıcıya bağlanır.
• Oluşan kompleks operatöre bağlanır.
• Transkripsiyonu baskılar.
4.1 Baskılama mekanizması
• Böylece, triptofan ortamda bulunuyorsa, sistem baskılanır.
• Triptofan sentezinden sorumlu olan enzimler üretilmez.
• Baskılayıcı kompleksi transkripsiyonu engellediğinden, bu baskılanabilen sistem negatif kontrol altındadır.
24
• Negatif kontrol: Bir çeşit düzenleyici molekül tarafından
engellenmediği sürece genetik ifade gerçekleşebilir.
• Pozitif kontrol: Sadece bir molekül, RNA sentezini doğrudan
uyarırsa transkripsiyon gerçekleşir.
5. Attenüasyon
• Ortamda yüksek miktarda Triptofan varsa, aslında
transkripsiyon yine de başlar fakat 140 nükleotidsentezlendikten mRNA dizisi sonlanır.
• Bu işlem gen ifadesinin azaldığığının göstergesi olarak ‘attenuasyon’ (güç kaybı, zayıflaması) olarak
adlandırılmıştır.
26
5. Attenüasyon
• Transkripsiyona uğrayan ilk DNA dizisi, ‘saç tokaları’ adı verilen, karşılıklı iki özel ilmik şeklindekatlanan mRNA’nın oluşturur
• Fazla miktarda triptofan varlığındaoluşan saç tokası sonlandırıcı(terminatör) yapı gibi davranır.
27
• Diğer taraftan, triptofan azsa, sonlandırıcı olmayan (anti-
terminatör) saç tokası oluşturur.
28
5. Attenüasyon
29
5. Attenüasyon
30
• Attenuasyon, E. coli’de, amino asit biyosentezi için gerekli
olan enzimleri kontrol eden diğer bakteriyel operonlar içinde geçerli olan ortak bir mekanizmadır.
• Triptofandan başka, threonin, histidin, lösin ve fenilalanin metabolizması ile ilgili operonların lider dizilerinde de
attenuatörlerin varlığı gösterilmiştir.
• Attenuasyon zaman ve yer açısından prokaryotlara
özgüdür.
• Ökaryotlarda transkripsiyon çekirdekte, translasyon ise
sitoplazmada meydana geldiği için böyle bir mekanizma
olanaksızdır.
