DNA'nın Nükleus İçerisindeki Organizasyonu: Kromozom, Kromatid...

• 3 bilyon baz çiftinden oluşan insan genomu yaklaşık olarak 1 metredir ve 1 metreden oluşan insan genomunun 2 μm uzunluğundaki nükleusa sığabilmesi için çeşitli katlanmalardan geçmesi gerekmektedir. Öncelikle belirtmek gerekir ki bu katlanmalar ilk bakışta bir çeşit sıkıntı, enerji kaybı olarak görülse de genlerin ekspresyonunun düzenlenmesinde bu katlanmaların regülasyon için bir adım olduğu görülmektedir. Örneğin, ekspres edilmeyecek olan kısımlar heterokromatin olarak bulundurulmakta böylece RNA polimeraz ve transkripsiyon faktörleri gibi proteinlerin DNA'ya bağlanması engellenmektedir.

                                     

• Öncelikle DNA organizasyonunun bakterilerde nasıl olduğuna kısaca göz atalım. Her ne kadar bakterilerde genomu nükleusa sığdırmak gibi bir sorun olmasa da [bakteriler prokaryot olduğu için nükleus içermez] bakteriler de genomlarının sitoplazma içerisinde daha az yer kaplaması için nucleoid- associated proteins sayesinde genomlarını super-coiled yani kompakt bir şekilde hücrede nükleoid denilen bölgede bulundururlar. [ Resimde solda görülen yapı halkasal bakteri genomunun normal hali, sağda görülen yapı ise supercoiled halidir. ]

                              

• Buna kanıt olarak şu verilebilir ; laboratuvarda plazmid izolasyonu yapıldıktan sonra  jelde yürütülen plazmidin boyunun beklenenden küçük olduğu görülür. Bunun sebebi super-coiled yani daha kompakt bir şekilde hücrede bulundurulan plazmidin normal plazmide oranla jelde daha hızlı hareket etmesidir. [Yukarıdaki resimde de yukarıdan aşağı numaralandırıldığında ilk bant olan bant normal halkasal plazmid, 3.band ise supercoiled plazmiddir.)

• Ökaryotlarda ise genom nükleus içerisinde kromatin olarak yani histon denilen proteinlerle ilişik bir şekilde bulunur. 

                 

• Öncelikli olarak 4 adet histon proteini (H2A, H2B, H3 ve H4 [her birinden iki tane]) bir araya gelerek octamer olan yani 8 adet alt birimden oluşmuş olan nükleozomu oluşturur. 

• Histon proteinleri en basit ökaryotlardan insana kadar çok sıkı bir şekilde korunmuştur. Bir başka deyişle evrimsel olarak birbirine uzak iki canlının (örneğin, yukarıdaki resimde inek ve bezelye karşılaştırılmaktadır.) histon proteinini kodlayan genlerinin sekanslarını karşılaştırdığımız zaman aralarında çok bir fark olmadığını görürüz ki bu bu proteinin canlılar açısından çok önemli olduğunu gösterir.

• Ayrıca, histon proteinlerinin amino asit sekansları incelendiğinde bazik amino asitlerin ( özellikle lizin ve arjinin) oranının normale oranla fazla olduğu görülmektedir. Bunun sebebi bazik amino asitlerin fizyolojik pH'ta pozitif yüklü olması ve negatif yüklü DNA (DNA içerdiği fosfat gruplarından dolayı negatif yüklüdür.)  ile kolay etkileşim kurmasıdır.

• DNA'nın histonlar tarafından oluşturulan nükleozomların etrafında sarılmasıyla [Yukarıdaki resimde sarı olan yapılar nükleozom, gri iplik gibi olan yapı ise DNA'dır.)  10 nm kromatin fiber elde edilir. Ve bu 10 nm kromatin fiber  H1 histon ( yukarıdaki resimde mor olarak gösterilen protein) olarak bilinen linker histon sayesinde daha da kompakt bir hale getirilir.

• Nükleozom sayesinde başarılan bu kompaktlaşma aslında nükleus içerisindeki organizasyonun sadece ilk aşamasıdır. İkinci aşamada üzerlerine DNA sarılmış olan nükleozomlar içerdikleri histonların kuyrukları sayesinde birbirleriyle kontakt kurar ve daha fazla kompaktlaşma sağlar ve bu aşamada kromatin 30 nm kromatin olarak adlandırılır.

• Ayrıca histonların kuyrukları sadece nükleozomların birbirleriyle etkileşime geçmesini sağlamaz. Histon proteinlerinin kuyruklarının modifikasyonu yani spesifik amino asitlerden asetillenmesi, metillenmesi, fosforlanması vb. hem kromatin organizasyonunda hem de RNA polimeraz ve transkripsiyon faktörleri gibi transkripsiyonda önemli rol oynayan proteinleri etkilemede önemli rol sahibidir. Örneğin, eğer belirli bir DNA bölgesinde nükleozomlar birbirleriyle sıkı bir iletişim içerisindeyse o bölge heterokromatin olarak adlandırılır ve DNA o bölgede nükleozomlar tarafından sıkı sıkıya bağlandığı için RNA polimeraz gibi enzimler tarafından ulaşılamaz dolayısıyla transkripte edilemez. Bunun tam tersi olarak, eğer nükleozomların birbirleriyle etkileşimi yeterince güçlü değilse o DNA bölgesi ökromatin olarak adlandırılır ve DNA nükleozomlar tarafından kapatılmadığı için  rahatça transkripte edilebilir. Heterokromatin durumunda olan bir bölgenin histonlarına asetil transferaz enzimi yani histon proteinlerinin kuyruğuna asetil grubu ekleyen enzim etki ederse o bölge ökromatin haline gelir ve rahatça transkripte edilebilir. Bunun arkasındaki sebep ise şudur; asetil grubu yukarıda bahsedilen histon proteinlerinin bazik amino asitlerine eklenir böylece bazik amino asitler pozitif yüklerini kaybederler ve DNA ile olan etkileşimleri azalır. Böylece o bölgede gevşeme diyebileceğimiz bir olay olur ve DNA RNA polimeraz gibi enzimlere açık hale gelir.  

• Heterokromatin - ökromatin arasındaki geçişi yapabilen enzimler histon kuyruğu modifikasyonu yapabilen enzimlerle sınırlı değildir. Chromatin remodeling complex yani yeniden şekillendirme kompleksi denilen enzim ATP enerjisiyle nükleozomları hareket ettirerek hem belli bölgeleri enzimlere açık hale getirmekte hem de heterokromatin-ökromatin geçişlerini yapabilmektedir.

• 30 nm kromatin yapısından sonra nükleozomlar arasındaki daha fazla etkileşimden dolayı kromatinin daha fazla kompaklaşması özellikle mitoz ve mayoz gibi hücre bölünmeleri esnasında DNA'nın en kompakt hali olan kromozom oluşumu gözlemlenir. Tabii ki bu daha fazla kompaktlaşma esnasında histon haricinde bazı proteinler de görev alır. Örneğin, kohezin proteini mitoz ve mayoz bölünme esnasında bir halka gibi sararak kardeş kromatidleri bir arada tutar. Kondensin proteini ise nükleusta yine halka gibi sararak kromatidin daha da kompaktlaşmasını sağlar.

• Hücre bölünmeleri haricinde ise DNA nükleusta kromozom olarak bulunmaz çünkü yukarıda da bahsedildiği gibi kromozom halinde iken DNA heterokromatin halindedir ve bu da transkripsiyonu engelleyen bir durumdur. Normal bir durumda, her kromozomun -yukarıdaki resimde de görülebileceği üzere, resimdeki sayılar kromozom sayılarıdır.- nükleusta bir yeri vardır ve bu yerler kromozom territorisi olarak adlandırılmaktadır. [ Konuyla ilgili olarak, bu territorilerde hangi bölgelerin hangileriyle fiziksel olarak etkileşimde olduğu genlerin ekspresyonunun kontrolü açısından oldukça önemlidir. Ama bu konu çok uzun olduğu için burada detaylı olarak bahsetmeyeceğim. Yeni ve oldukça ilgi çekici olan bu konuya meraklı olanlar Topologically Associated Domains adıyla araştırabilirler.]

*Benim konuyla ilgili söyleyeceklerim bu kadar :) Umarım verimli ve güzel bir yazı olmuştur. Sorularınız ya da hakkında yazı istediğiniz konular için yorum bırakabilirsiniz, sevgiyle ve bilimle kalın. 

Genlerin Yapısı Ve Ekspresyonu | 2 (Promotor, 5' Ve 3' UTR, RNA İşlenmesi)

• Yukarıdaki resimde ökaryotik hücrelerin genomunda bulunan genlerin tipik yapısı gösterilmektedir. 
• DNA düzeyinde incelemeye başlarsak, çekirdekte bulunan kromozomlarda konumlanan genler genel olarak 5 temel yapıdan oluşur:

1. Promotor:

• Promotor transkripsiyonun başlaması esnasında RNA polimerazın ve transkripsiyon faktörlerinin bağlandığı kısımdır.
• Tüm ökaryotlar promotorlarında korunmuş bir dizi ve transkripsiyon başlama bölgesinden yaklaşık olarak 25-35 baz uzaklıkta olan TATA kutusunu bulundururlar.
• Promotorlar transkripsiyonu başlatma işinden sorumlu oldukları için transkripsiyonun yönünü ve hangi zincirin transkripte olacağını bir başka deyişle hangi zincirin anlamlı zincir olduğunu belirlerler.
• Resimde de görülebileceği üzere promotorlar transkripte olmadıkları için mRNA'larda bulunmazlar.

    2. 5' UTR ( 5' Untranslated Region ) ve 3' UTR ( 3' Untranslated Region) : 

• 5' UTR ve 3' UTR genin transkripte olan ama translasyona uğramayan bölümleridir. Adlarından da anlaşılabileceği üzere 5' UTR genin 5' ucunda, 3' UTR ise genin 3' ucunda konumlanır. Birçok farklı fonksiyona sahip olan 5' ve 3' UTR'ler temel olarak mRNA'ların nükleustan sitoplazmaya taşınmalarından, mRNA'ların post-transkripsiyonel kontrollerinden ve stabilitelerinden sorumludurlar.
• Ayrıca belirtilmelidir ki geçmişte sanılanın aksine (özellikle 5' UTR'nin) UTR'lerin gen ekspresyonunun kontrolünde önemli bir rolü vardır. Yapılan araştırmalar UTR'lerinde mutasyon bulunan bireylerin çoğunda patolojik bulgulara ulaşmıştır.
• UTR'ler tarafından gerçekleştirilen post-transkripyonel kontrolde UTR'lerin sekansları ve buna bağlı olarak oluşan birincil ve ikincil yapıları önemli rol oynamaktadır. ( Bu noktada belirtilmelidir ki DNA düzeyinde olan gen ekspresyonu kontrolünde sadece birincil yapı önemli rol oynamaktadır.) UTR'lerin birincil ve ikincil yapılarına göre farklı RNA'ya bağlanan proteinler (RNA binding proteins) ve kodlama yapmayan RNAlar ( Non-coding RNA) UTR'lere bağlanmakta bunun sonucunda da UTR'lere bağlı olarak mRNA'lar farklı verimlilikte translasyona uğramakta ve stabiliteleri farklılık göstermektedir.
• 5' UTR genel olarak translasyonel kontrolden sorumluyken 3' UTR mRNA'nın nükleustan sitoplazmaya transfer edilmesi ve stabilitesinin belirlenmesinden sorumludur.

• Son olarak, 5' UTR ile 3' UTR'nin hangisinin daha önemli olduğu konusunda (yukarıdaki resimde de görülebileceği üzere) 3' UTR'deki mutasyon oranı 5' UTR'ye oranla daha yüksek olduğu için 5' UTR'nin fonksiyonlarının 3' UTR'nin fonksiyonlarına oranla daha önemli olduğu söylenebilir.

• Konuyla ilgili daha detaylı bilgi için: Mignone, F., Gissi, C., Liuni, S., & Pesole, G. (2002). Untranslated regions of mRNAs. Genome Biology, 3(3), reviews0004.1–reviews0004.10.

    3. ORF ( Open Reading Frame ) : 

• ORF gene ait olan intron ve ekzonların konumlandığı kısımdır.
• Ekzonlar mRNA işlenmesinden sonrada mRNA'da bulunmaya devam eden ve proteinin amino asit dizilimini belirleyen bir başka deyişle proteinleri kodlayan kısımdır.
• Ve beklenenin aksine genomun sadece 1.5 - 2% 'lik bir kısmı ekzonlardan oluşur. Yani sanılanın aksine genomun büyük bir kısmını protein kodlayan ekzonlar değil, kodlama yapmayan intronlar, tekrarlayan fragmentler ve gen ekspresyonunu kontrol eden promotorlar vb.'ler oluşturur.
• İntronlar ise mRNA'nın işlenmesi sırasında ayrıştırılan ve dolayısıyla translasyona uğramayan gen bölgeleridir.
• İnsan genomunun %25 'i intronlardan oluşur. ( Fark edilebileceği üzere intronlar ekzonlardan çok daha fazla yer kaplıyor genomda.)
• İntronların protein kodlamaması onların genomda boşu boşuna bulunduklarını göstermemektedir. Bir başka deyişle, intronlar ilk keşfedildiklerinde düşünülenin aksine "junk DNA" değildir. Yapılan son araştırmalar, intronların bir genden birden fazla protein üretilmesini sağlayan "alternative splicing" olayında görev aldığını ve genlerin transkripsiyon oranlarını arttırdığını göstermektedir. ( Örneğin, yapılan bir araştırmada genomuna yapay olarak intron eklenen virüsün proteinlerinin oranın intron içermeyen virüsün proteinlerinin oranına göre daha fazla olduğu kanıtlanmıştır.)
• İntronların görevleriyle ilgili daha detaylı bilgi için: Jo, B.-S., & Choi, S. S. (2015). Introns: The Functional Benefits of Introns in Genomes. Genomics & Informatics, 13(4), 112–118. http://doi.org/10.5808/GI.2015.13.4.112