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

Genlerin Yapısı Ve Ekspresyonu | 1

• Yukarıdaki resimde de görülebileceği üzere tüm canlılarda ( prokaryotlarda ve ökaryotlarda) genetik bilginin akışı şu şekildedir : DNA - RNA- Protein. DNA kullanılarak RNA'nın sentezlenmesi olayına transkripsiyon denir ve bu olay nükleusta gerçekleşir. Transkripsiyon sonucu oluşan RNA tiplerinden ( Transkripsiyon sonucunda rRNA, tRNA, non-coding RNA, mRNA gibi RNA çeşitleri oluşabilir.)  biri olan mRNA'nın (mesajcı [messenger] RNA) kalıp olarak kullanılmasıyla protein sentezlenmesi olayına ise translasyon denir ve genellikle sitoplazmada ribozomlar tarafından gerçekleştirilir. ( Burada genellikle denilmesinin sebebi mitokondri ve kloroplast organellerinin kendi ribozomlarına sahip olması dolayısıyla bu organellerde de translasyonun gerçekleşmesidir.) 

• Fakat genetik akışın normalde DNA-RNA-Protein şeklinde olması onun her zaman öyle gerçekleşeceği anlamına gelmez. Yukarıdaki resimde de görülebileceği üzere bu konudaki istisnalardan biri retrovirüslerdir. Retrovirüsler genomlarına göre tek zincirli (+) RNA virüsü konuk hücre tiplerine göre ise hayvan virüsü olarak sınıflandırılırlar. Genom olarak tek zincirli RNA'ya sahip olan retrovirüsler hücreyi enfekte ettiklerinde kendilerini replike edebilmek için öncelikle genomlarını çift zincirli DNA'ya çevirirler. ( Yani burada RNA-DNA şeklinde bir genetik akış olur ve akış reverse transcription yani transkripsiyon olayının tersi olarak adlandırılır.) 

• Genomunu replike edebilmek için önce onu DNA'ya çevirmek zorunda olan retrovirüsler RNA'dan DNA sentezleyecek enzim yani reverse transkriptaz normal hayvan hücrelerinde bulunmadığı için onu yanlarında taşımak zorundadırlar. 
• Buna ek olarak, reverse transkriptaz genel olarak 3 farklı domaine sahiptir. Birinci domain retrovirüsün genomu olan tek zincirli RNA'yı baz alarak tek zincirli DNA sentezler. Bu aşamada önemli olan noktalardan bazıları şunlardır ki reverse transkriptaz da normal DNA polimerazlar gibi sadece 5'-3' yönünde sentez yapabilir ve sentezi başlatamadığı için primere ihtiyaç duyar. İkinci domain oluşturulan DNA-RNA hibridindeki RNA zincirini yıkar. Son domain ise oluşturulan tek zincirli DNA'yı baz alarak çift zincirli DNA sentezler.

• Çift zincirli DNA sentezlendikten sonra ise bu fragment enfekte edilen hücrenin genomuna entegre edilir ve provirüs olarak adlandırılır. Örneğin, HIV virüsü bir retrovirüstür ve bağışıklık sistemi hücrelerinden olan CD4 hücrelerini enfekte ettikten sonra ilk olarak yanında taşıdığı reverse transkriptazı kullanarak genomunu çift zincirli DNA'ya çevirir ve onu çekirdeğe göndererek hücre genomuna entegre eder. Bu işlemden sonra CD4 hücreleri her bölündüğünde dolayısıyla DNA'sını replike ettiğinde virüs genomu da onunla birlikte replike olur ve yeni oluşturulan hücrelere aktarılır. 

Sonuç olarak:

Transkripsiyon: Başlama

Transkripsiyon DNA'dan RNA sentezlenmesi olayıdır. DNA nükleusta bulunduğundan dolayı transkripsiyon olayı da nükleusta gerçekleşir.

Transkripsiyonda görev yapan ana enzim RNA polimerazdır. RNA polimeraz ribonükleotit trifosfattaki fosfat bağının enerjisini kullanarak ribonükleotitlerin arasındaki bağın yani fosfodiester bağının oluşmasını sağlar. RNA polimeraz sayesinde ribonükleotitlerin polimerleşmesi sağlanır başka bir deyişle RNA oluşturulmuş olur.

Prokaryotlar tek tip RNA polimeraza sahiptir. Ökaryotlar ise 3 tip RNA polimeraza sahiptir. Bu 3 RNA polimerazın görevleri şu şekildedir:

• RNA polimeraz I rRNA'ların sentezlenmesinden sorumludur.
• RNA polimeraz II mRNA ve snRNA'ların sentezlenmesinden sorumludur.
• RNA polimeraz III 5S rRNA ve tRNA'ların sentezlenmesinden sorumludur.

RNA polimeraz DNA'ya promotor denilen bir bölgeden bağlanır. Promotorun diğer DNA bölgelerinden farkı daha fazla adenin ve timin içermesidir. Başka bir deyişle promotor diğer DNA bölgelerine oranla daha az hidrojen bağı içermektedir. Böylece gen transkripte olacağı zaman DNA sarmalı kolayca açılabilmektedir.

Bakteri ve ökaryotlar promotorlarında farklı bölgelere sahiptir. Bakterilerin promotorunda pribnow kutusu ökaryotların promotorlarında ise TATA kutusu bulunmaktadır.

Transkripsiyonun başlangıç aşamasında, bakterilerin RNA polimerazı sigma alt birimi sayesinde promotoru tanır ve promotora bağlanır. Sigma alt birimi promotora bağlanış gerçekleştikten sonra RNA polimerazdan ayrılır.

Ökaryotlarda ise durum daha karmaşıktır. Ökaryotlarda RNA polimeraz promotora bağlanmadan önce TFIID,TFIIA,TFIIB ve TFIIH gibi transkripsiyon faktörleri promotoru tanır ve bağlanır. Bu faktörler RNA polimerazın promotoru tanımasına ve bağlanmasına yardımcı olur. RNA polimeraz promotora bağlandıktan sonra TFIIH ATP enerjisi kullanarak RNA polimerazı fosforlar ve onun senteze başlamasını tetikler.