Gen Aktivasyonu

Gen Aktivasyonu


Gen Aktivasyonunun Mekanizması

Yukarıda belirtildiği gibi genlerin aktivasyonu kontrol altındadır Gelişme esnasında, çekirdekteki genetik bilgi seçici olarak kullanılmakta ve genler ne zaman ve nerede ihtiyaç duyulursa orada kullanılmaktadır Gen düzenleyiciler için bazı mekanizmalar mevcuttur Bu mekanizma genlerin çalışması veya çalışmaması şeklinde veya bütün canlı gelişiminde rol oynamamaktadır Belli genler, organizmanın rutin çalışmasıyla normal fizyolojik aktivite durumunda düzenlenir Fotosentez için ışığı kontrol eden genler bu tip genlerdir Gen faaliyetinin kontrolü hakkında bilgini çoğu ökaryotlardan ziyade prokaryotlardadır Çünkü daha basit yapıları ve daha kolay üretilme imkanları genetik denemelere imkan vermektedir

Prokaryotlar

En iyi bilinen örnek E coli'de laktozun değerlendirilmesidir Sistem Françios Jacob ve Jacques Monod tarafından 1960 yılında çalışılmıştır E coli enerji kaynağı olarak laktozu değerlendirmektedir

1β-galaktosidaz permease, y olarak dizayn edilen gen ile kodlanmakta ve laktozun hόcreye taşınmasında görev yapmaktadır

2 β-galaktosidaz laktozu galaktoz ve glukoz olmak όzere iki kompanente ayırır z geni ile kodlanmaktadır

3Asetilaz, a geni tarafından kodlanmakta ve laktoz metabolizmasıyla ilgilidir

Bu üç enzim gelişme ortamında laktoz bulunduğu zaman hücre içinde sentez edildiği zaman faaliyete geçerler Hücreler ortama transfer edildiği zaman laktoz yokluğunda 2-3 dk içinde sentezleri durmaktadır Üç yapısal gen enzim için kodlanır laktozun varlığı veya yokluğuna göre düzenlenmektedir Bu sebeple yalnızca hücre ihtiyaç duyduğu zaman sentezlenir Bu üç enzimin aktivasyonunu mutasyon kullanarak genlerin bakterial kromozomlardaki lokasyonlarının haritası yapılmıştır Genlerin aynı zamanda z, y, a şeklinde peşpeşe geldiği bulunmuştur
Bu genlerden başka laktoz mekanizmasında etkili herhangi bir enzim kodlamayan iki genetik yapı daha bulunmaktadır Bunlar düzenleyici (regularity) gen i ve operatör gen olan o üç yapısal genin faaliyetini kontrol etmektedir

Mutasyonlar ya düzenleyici gene veya operatör gene zarar verirler ve yapısal genler mesela devamlı olarak laktoz varlığına veya yokluğuna dikkat etmeden hareket ederler Bu yolla düzenleyici gen, etkisini yitirdiğinde bütün yapısal genler aynı zamanda i ve o düzenleyicileri tarafından kontrol edilmektedir Operetör kısmı kromozomlarda z geninin yanındadır Düzenleyici gen i ise p promotör bölge vasıtasıyla o dan ayrılırlar p bölgesi transkripsiyonu katalize eden RNA polimeraz enziminin bulunduğu kısımdır

Jacop ve Monod operon kelimesini operatör ve promotor kısımlarıyla birlikte ekspress ve komşu yapısal genlerin birlikteliğindeki grubu tanımlamak üzere tanımlamaktadır Laktoz olmadığı zaman, i geni tarafından oluşturulan repressor protein operatöre bağlanır ve transkripsiyonu bloklamaktadır Bu durumda yapısal genler çalışmamaktadır Laktoz ortamda olduğu zaman, repressor proteine bağlanıyor ve operatörün transkripsiyonu kontrol etmesini önlüyor ve genler aktif hale gelip çalışmaya başlıyorlar Repressor protein normalde oldukça düşük oranda hücrede bulunmaktadır İ geni ve o kısmında meydana gelen mutasyonlar, yapısal genlerin dengesiz davranışına neden olmaktadır Bu durum ya repressörü etkilemekte (i+→i-) ya da operatör kısma bağlanmayı önlemektedir (o+→oc) Translasyon esnasında genler arasındaki stop kodonları üç ayrı polipeptid zincirini oluşturmaktadır

Ökaryotlar

Prokaryot ve ökaryot arasında DNA larının organizasyonu ve genlerin transkripsiyon ve translasyonları arasında birkaç önemli farklılık bulunmaktadır Prokaryotlarda görülen operon tipi ökaryotlarda yoktur

Yakın fonksiyonlu genler bir araya toplanmasına rağmen, ekspressiyonlarının kontrolü farklı yerlerde toplanmış olabilir veya farklı kromozomlarda dahi olabilmektedir Ökaryotik genomların DNA ları daha büyük olup çok sayıda repetitive DNA dizilişleri taşımaktadır Ökaryotik genler aynı zamanda intronslar olarak ayrılmakta ve DNA ları kromatin formunda histonlara bağlanmaktadır Bu karışıklık ökaryotlardaki sistemin daha iyi anlaşılmasını zorlaştırmaktadır Ökaryotlarda, genlerin transkripsiyon ve translasyonları prokaryotlardaki gibi beraber değildir Transkripsiyon çekirdek içinde yer almakta ve translasyon ise daha sonra sitoplazmada ribozomlarda meydana gelmektedir Genlerin aktivasyonu, bilginin akışı esnasında her iki devrede de meydana gelmektedir

Transkripsiyon seviyesinde gen aktivasyonu;
Bu aşamadaki gen transkripsiyonu translasyondan daha fazla örnek taşımaktadır Böyle bir durum arpa depo proteinlerinde gözlenmiştir Arpada, tohum depo proteinleri mevcuttur ve bunlar hordein olarak isimlendirilmektedir İlgili genler gelişmenin sadece üç haftalık peryodu için aktif haldedir Hordein polipeptidiyle ilgili üç farklı protein yapısındaki değişmeler ana ilgili gelişmeler, Şekil de tanımlanmıştır Bu gelişmeler genlerin faaliyetinin gelişmenin kontrolüne göre olduğunu göstermekte ve mRNA larındakine benzer değişim kalıplarıyla araştırılabilir mRNA ve translasyon ürünleri olan proteinler arasındaki ilişkiler kontrolün transkripsiyon seviyesindeki durumunu ortaya koymaktadır Transkripsiyon başlar başlamaz bütün mRNA'lar proteine translasyon olmaktadır Kontrol mekanizması prokaryotlarınkine benzer olduğu düşünülmektedir Bununla beraber detaylar bilinmemekte ve regülarity genler (düzenleyici genler) yapısal genlerden farklı kromozom üzerindedir

Translasyon Seviyesinde Gen Aktivasyonu

Protein sentezindeki farklılıklar, hücrede mRNA populasyonunu oluşturan farklı transkripsiyon oranlarındaki değişiklikle açıklanamaz Bazı hücrelerde mRNA nın benzer yapıları bulunmakta fakat farklı çeşitte proteinler üretmektedirler Çünkü bütün mRNA'larda translasyon olmamaktadır Bu translasyon seviyesinde regulasyondur (gen aktivasyonu) Döllenmemiş yumurta hücresi mRNA olarak paketlendiği durumlarda görülmektedir Seçici translasyon zigotun oluştuğu fertilizasyondan sonra başlamaktadır

Spisula solidissima (deniz midyesi) de protein sentezinde, döllenme öncesi ve sonrası göze çarpan farklılıklar bulunmaktadır Bununla beraber gelişmenin iki fazında mRNA'larında değişiklik bulunmamaktadır Döllenmemiş yumurtadan ribozomların ve genç embiryoların ekstrakte edilmesiyle bu devreler esnasında mRNA nın doğasını değerlendirmek mümkündür Çünkü mRNAlar ekstrakte edilen ribozomlarla ilişkilidir Böyle çalışmalar göstermektedir ki farklı mRNA transkripsiyonları fertilizasyondan önce ve sonra seçilmektedir Translasyon kontrolunun nasıl çalıştığı tamamen anlaşılmış değildir fakat mRNA molekülleriyle özel proteinlerin işbirliği sayesinde hareket ettiğine dair kanıtlar bulunmaktadır

Kromozom Organizasyonu Seviyesinde Gen Aktivasyonu:
Ökaryotik genlerin aktivasyonu kromozomlarda yer alan kromatinlerin organizasyonundaki değişmeleri içeren mekanizmalarla kontrol edilmektedir Dişi memeli canlıda iki X kromozomunun birisi heterochromatinleşme işlemi sırasında aktivasyonunu kaybeder İnterfaz X kromozomu sıkı şekilde katlanır ve Barr body olarak görülür Bu durumda DNA sı transkripsiyon için faaliyet göstermez ve kromozom içindeki bütün genler kapalı haldedir Bu durumda aktivasyon, doza bağlı faaliyet gösterir ve erkekte sadece bir kromozom olduğu zamanki durumda çalışmasına izin verilir

Genomik inaktivasyon (imprinting), fenotipin gamet orijinine bağımlı modifikasyonu olarak tanımlanabilir Bir lokustan oluşan fenotip, tek bir allel için farklı olarak ortaya çıkmaktadır Bu işlem, genomun gamete bağımlı olarak farklı görüntüsü ortaya koymakta ve her bir ebeveynden gelen genetik bilgiye göre fonksiyonal bir farklılık ortaya koymaktadır Memelilerde genomik inaktivasyon, ya tek allelli gen ekspressiyonuyla ya da hem ana hem de babadan gelen allelin inaktivasyonuyla alakalıdır
Aynı şekilde dominat modifikasyon tek bir lokusun penetransındaki fenotipik farklılığın üretimini içermektedir (Fisher, 1928) Bu genetik modifikasyon, trans halinde faaliyet göstermekte ve farklı modifiye edici lokusların yapısını oluşturmaktadır Genomik inaktivasyon veya imprinting'in dominant modifikasyon olduğu düşünülmektedir(Sapienza, 1990) Bununla beraber, cinsiyete bağlı olduğu zaman farklı dozajda faaliyet göstermektedir

İnaktivasyona benzer husus hem hayvan hem de bitki aleminin her ikisinde de gözlenmiştir Gamete bağımlı modifikasyonun farklı belirtileri hibrid olan bitkilerde dominantlığın göstergesi olarak ortaya çıkmaktadır (Heslop-Harrison, 1990) Sciara'da ebeveynden kaynaklanan kromozom eliminasyonu (Metz, 1938; Crouse et al, 1971); sineklerde (coccids) ebeveyne ait genomun heterokromatin yapıdaki inaktivasyonu(Nur, 1990); Drosophila'da ebeveyn orijinli spesifik pozisyon etkili modifikasyon (Spofford, 1976); balıklar arası yapılan melezlemelerin projenilerindeki fenotipik farklılıklar (Whitt et al, 1977), eşek ve at arasındaki melezlemelerde embryolarda görülen X kromozomuna bağımlı tercihsel inaktivasyon (VandeBerg et al, 1987); ebeveyn genomuna bağımlı farklı maya ırk melezlemelerinde görülen farklılıklar (Klar, 1987); immunoglobulin genlerinin allelik farklılığı (Holliday, 1990) bu hususlara örnek verilebilir İhtimalen konunun anlaşılması açısından son zamanlarda farede gamet orijinine bağımlı transgen methylation ve expressiyon modifikasyonlarıdır (Swain et al, 1987; Reik et al, 1987; Sapienza et al, 1987) Son olarak ta zebra balığının transgenik bir hattında görülmüştür (Martin and McGowan, 1995a; 1995b) Bu bahsedilen olayların hepsinin aynı moleküler temele dayandığı hakkındaki bilgiler kesin değildir Ebeveyn orijinli etki mekanizması bir çok organizmada görülmektedir Bu etki kuvvetli şekilde evolusyon mekanizmasında korunmakta ve bağımsız olarak bir çok kez ortaya çıkabilmektedir Bütün bu durumlarda sonuçta, inaktive olan lokusta fonksiyonel olarak heterozigot olduğu görülmektedir Bu lokusların bazıları, erkek ebeveynden kaynaklanan inaktivasyondan bazıları da dişi ebeveynden kaynaklanan inaktivasyondan ortaya çıkmaktadır

Kanser hücrelerinde aktivasyonunu kaybetmiş allelde DNA metilasyonunun kaybından ortaya çıkan bu duruma kanser hücrelerinde rastlanmıştır Bu genleri modifiye edici genler ise imprintor olarak bilinmekte ve pleiotropik bir etkiye sahip olduğu düşünülmektedir Ayrıca, bu genlerin haploid setteki karşılıklarında ince ayar görevi gördükleri belirtilmektedir (Holliday, 1990)

Sonuç olarak bu genlerin faaliyeti ve çalışmasının sınırlandırılması genlerin tanımlanmasıyla anlaşılmaktadır Genlerin cis veya trans olarak faaliyetleri, DNA yapısı ve kromatin yapısı genlerin faaliyetleri üzerinde etkiye sahip olduğu düşünülmektedir

Kaynaklar: RN Jones & A Karp, 1990 Introducing Genetics John Murray Isbn 0-7195-4235-9 Chapter 14 & 17 p186-243