Gen İfadesi Ne Demek? Genler Nasıl Düzenlenir?

Bir hücrenin düzgün çalışabilmesi için gerekli proteinlerin doğru zamanda sentezlenmesi gerekmektedir. Tüm organizmalar ve hücreler, DNA'larının proteine transkripsiyonunu ve translasyonunu kontrol eder veya düzenler. RNA ve protein üretmek için bir geni "açma" işlemine gen ifadesi denmektedir. İster basit bir tek hücreli organizmada ister karmaşık çok hücreli bir organizmada olsun, her hücre, genlerinin ne zaman ve nasıl ifade edildiğini kontrol eder. Bunun gerçekleşmesi için, bir genin ne zaman RNA ve protein sentezlemek üzere ifade edileceğini, proteinin ne kadarının sentezlendiğinin ve artık gerekli olmadığı takdirde ilgili proteinin sentezinin durdurulma zamanının geldiğini kontrol edecek bir mekanizma olması gerekmektedir.

Çok hücreli organizmalardaki hücreler özelleşmiştir; farklı dokulardaki hücreler çok farklı görünmekte ve farklı işlevler yerine getirmektedir. Örneğin, bir kas hücresi, bir deri hücresinden çok farklı olan bir karaciğer hücresinden çok farklıdır. Bu farklılıklar, bu hücrelerin her birinde farklı gen setlerinin ifadesinin bir sonucu olarak karşımıza çıkmaktadır.

Tüm hücrelerin, şeker moleküllerindeki enerjiyi ATP'deki enerjiye dönüştürmek gibi kendileri için yerine getirmeleri gereken bazı temel işlevleri vardır. Bunun yanı sıra, her hücrenin ifade edilmeyen birçok geni olduğu gibi diğer hücreler tarafından ifade edilmeyen pek çok geni ifade ederler ve böylece özelleşmiş işlevlerini yerine getirebilirler.

Ayrıca hücreler, ortamdaki değişikliklere tepki olarak farklı durumlarda veya organizmanın gelişimi sırasında farklı zamanlarda belirli genleri açıp kapatır. Hem ökaryotik hem de prokaryotik tek hücreli organizmalar, özel koşullara yanıt verebilmeleri için çevrelerinin taleplerine yanıt olarak genleri açıp kapatırlar.

Gen ifadesinin kontrolü son derece karmaşıktır. Bu süreçteki aksaklıklar hücreye zarar vermekte ve kanser dahil birçok hastalığın gelişmesine yol açabilmektedir.

Prokaryotik ve Ökaryotik Gen İfadesi

Gen ifadesinin nasıl düzenlendiğini anlamak için öncelikle bir genin hücrede nasıl işlevsel bir protein haline geldiğini anlamamız gerekir. Süreç hem prokaryotik hem de ökaryotik hücrelerde, sadece biraz farklı şekillerde gerçekleşir.

Prokaryotik organizmalarda hücre çekirdeği bulunmadığından, transkripsiyon ve translasyon süreçleri neredeyse aynı anda gerçekleşir. Proteine artık ihtiyaç kalmadığında, transkripsiyon durur. Sonuç olarak, bir prokaryotik hücrede hangi tür ve ne kadar proteinin ifade edildiğini kontrol etmenin birincil yolu, DNA’nın RNA'ya transkripsiyonunun regülasyonudur. Sonraki tüm adımlar otomatik olarak gerçekleşir. Daha fazla protein gerektiğinde, daha fazla transkripsiyon gerçekleşir. Bu nedenle, prokaryotik hücrelerde gen ekspresyonunun kontrolü neredeyse tamamen transkripsiyon seviyesindedir.

Bu tür kontrolün ilk örneği, 1950'lerde ve 1960'larda Fransız araştırmacılar tarafından E. coli kullanılarak keşfedilmiş ve lak operonu olarak adlandırılmıştır. Lak operonu, E. coli için bir besin kaynağı olan laktozun emilimine ve metabolizmasına katılan proteinleri kodlayan üç bitişik gene sahip bir DNA dizisidir. Bakteri ortamında laktoz bulunmadığında, lak genleri düşük miktarlarda transkipte edilir. Laktoz mevcut olduğunda, genler kopyalanır ve bakteri laktozu bir besin kaynağı olarak kullanabilir. Operon ayrıca, transkripsiyonu başlatmak için RNA polimerazın bağlandığı bir promotör sekansı içerir; promotör ile üç gen arasında operatör adı verilen bir bölge vardır. Laktoz bulunmadığı takdirde, represör olarak bilinen bir protein operatöre bağlanır ve nadir durumlar dışında RNA polimerazın promotöre bağlanmasını engeller. Böylece üç genin protein ürünleri düşük miktarda sentezlenir. Ortamda laktoz mevcut olduğunda, laktoz metabolizmasının son ürünü represör proteine bağlanarak operatöre bağlanmasını engeller. Bu durum, RNA polimerazın promotöre bağlanmasına ve üç geni serbestçe kopyalamasına izin vererek organizmanın laktozu metabolize etmesine izin verir.

Ökaryotik hücreler ise prokaryotların aksine hücre içi organellere sahiptir ve çok daha karmaşıktır. Ökaryotik hücrelerde DNA'nın hücre çekirdeğinde bulunduğunu ve burada mRNA'ya kopyalandığını hatırlayınız. Yeni sentezlenen mRNA, ribozomlar tarafından proteine çevrilmek üzere çekirdekten sitoplazmaya taşınır. Transkripsiyon ve translasyon süreçleri, nükleer membran tarafından fiziksel olarak ayrılır; transkripsiyon yalnızca çekirdek içinde gerçekleşirken translasyon yalnızca çekirdeğin dışında, sitoplazmada gerçekleşir. Gen ifadesinin düzenlenmesi, sentez sürecinin herhangi bir aşamasında gerçekleşebilir. Düzenleme işlemi, DNA sarmalı çözüldüğünde ve transkripsiyon faktörlerinin bağlaması için nükleozomlardan gevşetildiğinde (epigenetik seviye), RNA transkribe edildiğinde (transkripsiyonel seviye), RNA işlendiğinde ve transkripsiyondan sonra sitoplazmaya taşındığında (transkripsiyon sonrası seviye), RNA proteine çevrildiğinde (translasyonel seviye) veya protein sentezlendikten sonra (post-translasyonel seviye) meydana gelebilir.

Libre Texts

Alternatif RNA Uç Birleştirme ("Alternative Splicing")

İlk defa alternatif uç birleştirme sergileyen genler 1970'lerde gözlemlenmiştir. Alternatif uç birleştirme, transkriptten farklı intron (ve bazen ekzon) kombinasyonları çıkarıldığında bir genden farklı protein ürünlerinin üretilmesine izin veren bir mekanizmadır. Alternatif uç birleştirme, genellikle kontrol edilmesine karşın bazen gelişigüzel de olabilmekte ve farklı hücrelerde ya da farklı gelişim aşamalarında farklı protein ürünlerinin üretimini kontrol etmenin bir yolu olarak hücre tarafından kontrol edilen farklı ekleme alternatiflerinin sıklığı ile bir gen düzenleme mekanizması olarak hareket etmektedir. Günümüzde, alternatif uç birleştirmenin ökaryotlarda ortak bir gen düzenleme mekanizması olarak görev aldığı bilinmektedir ve bir tahmine göre, insanlardaki genlerin %70'i alternatif uç birleştirme yoluyla pek çok farklı protein olarak ifade edilmektedir.

Libre Texts

Peki, alternatif uç birleştirme nasıl gerçekleşir? İntronların bir başlangıç ve bitiş tanıma dizisi vardır ve uç birleştirme mekanizmasının bir intronun sonunu ve bir sonraki intronun sonunu belirleyerek iki intronu ve araya giren ekzonu ortadan kaldırmadaki başarısızlığını hayal etmek kolaydır. Aslında, bu tür ekzon atlamalarını önlemek için halihazırda var olan mekanizmalar vardır, ancak mutasyonların bu mekanizmaların başarısızlığına yol açması muhtemeldir. Bu tür "hatalar" büyük olasılıkla işlevsel olmayan bir proteinin üretilmesine yol açacaktır. Gerçekten de birçok genetik hastalığın nedeni, bir dizideki mutasyonlardan ziyade alternatif uç birleştirmedeki hatalardır. Bununla birlikte, alternatif uç birleştirme, orijinal proteini kaybetmeden yeni bir protein varyantı oluşmasına yol açarak yeni fonksiyonlara uyum sağlayabilen yeni varyantların oluşma olasılığına ihtimal tanımaktadır. Gen duplikasyonu, orijinal fonksiyonel proteini ortadan kaldırmadan evrimleşebilen genler sağlayarak benzer şekilde yeni fonksiyonların evriminde önemli bir rol oynamıştır.

RNA İnterferans (RNAi)

Son yıllarda RNA’ların gen ifadesinin düzenlenmesinde sandığımızdan daha fazla rolü olduğunu anlaşılmıştır. İlk olarak C. elegans’ta çift sarmallı RNA’ya karşı bir yanıt olarak keşfedilen RNAi mekanizması, ökaryotlarda hangi genlerin aktif olacağını ve nasıl aktif olacağını kontrol etmektedir.^[1] dsRNA üreten virüslere karşı doğal bağışıklık tepkisi olarak keşfedilmiş olsa da transpozonların baskılanması veya gen ekspresyonunun kontrolüyle genom bütünlüğünün korunması gibi rollerde de görev alabilmektedir.^[2] RNAi, temelde siRNA ve miRNA gibi küçük RNA molekülleri aracılığıyla mRNA'nın translasyonunu engelleyerek protein sentezinin baskılanması işlemidir. Bu gen susturma işleminde, dsRNA bir ribonükleaz olan DICER enzimi tarafından yaklaşık 22 nükleotidlik küçük parçalara kesilerek siRNA moleküllerini oluşturur. RISC (RNA indüklenmiş susturma kompleksi) adı verilen büyük bir nükleaz komplesi siRNA iplikçiklerini birbirlerinden ayırarak tek sarmallı hale getirir ve bu tek sarmallı RNA molekülleri RISC kompleksine tutunarak mRNA üzerindeki homolog dizilere bağlanır. Bu sayede, mRNA'nın ribozomlardaki translasyonu engellenerek ve mRNA'nın enzimatik bozulmasına yol açarak hedeflenen mRNA’nın spesifik olarak susturulması sağlanmış olur. Gen ifadesinin düzenlenmesinde görev alan miRNA (mikro RNA) molekülleri de tıpkı siRNA’lar gibi RISC kompleksine tutunarak mRNA'ların ribozom bağlanma bölgelerinin yakınlarına bağlanır ve mRNA'ların ribozoma bağlanmasına engel olurlar.^[3]