Ökaryotik Gen Transkripsiyonu: DNA'dan mRNA'ya Geçiş

Genler, hücrenin derinliklerinde, çekirdek adı verilen bir odada saklanır. Proteinleri oluşturan ribozomlar, çekirdeğin dışında bulunur ve sitozol ado verilen kimyasal bir çorbanın içinde yüzerler. Bu ayrım, hücre için bir lojistik sorunudur. Ribozomun, bir proteini oluşturmak için, proteini tanımlayan genlere ihtiyacı vardır ancak genler, çekirdeğin içinde hapsolmuş durumdadırlar. Peki, çekirdeğin içine hapsolmuş durumda olan genlerin taşıdıkları bu talimatlar, çekirdekten çıkarak ribozomlara nasıl ulaşırlar, dersiniz?

Detayları göz ardı edecek olursak, çözüm aslında son derece basittir. Genin içindeki DNA nükleotidlerinin dilinde yazılı olan talimatlar, mRNA transkripti adı verilen taşınabilir bir gene yazılır. mNA transkriptleri çekirdekten çıkar ve ribozomlara ulaşarak, proteinin oluşturulması için gerekli talimatları verirler. mRNA transkriptlerinin ya da taşınabilir bu genlerin oluşumu, gen transkripsiyonu olarak adlandırılır. Haydi bu konuda daha fazla şey öğrenelim!

Şimdi, bir İtalyan restoranınız olduğunu düşünün. Şeflerinizin kullandığı tariflerin hepsi, kocaman bir tarif defterinde yazılı ve her akşam, mutfak kapanırken, güvende olması için siz bu tarif defterini ofisinize götürüyorsunuz. Bir cumartesi akşam üzeri, ofis kapınızın kilidi bozuluyor ve siz, tarif defteri ile birlikte ofisinizde kilitli kalıyorsunuz. Restoranın açılmasına saatler var! Mahallenizdeki tüm çilingirleri arıyorsunuz ancak hiçbiri cumartesileri çalışmıyor. Ofiste kilitli kalan tarifleri, müşterilerinizin siparişlerini hazırlayabilmeleri için şeflere nasıl ulaştıracaksınız?

Aklınıza bir sistem geliyor. Bir müşteri belirli bir yemeği sipariş ettiğinde, garson ofisinizin kapısını çalıyor ve size siparişin ne olduğunu söyüyor. Siz de tarif defterinden ilgili tarifi buluyor ve tarifi bir not kağıdına yazıyorsunuz. Zaman kısıtlaması olduğu ve siparişlerin bir an önce hazırlanması gerektiği için, bazı kısaltmalar kullanıyorsunuz ancak bunu yaparken tarifin aslından uzaklaşmamaya özen gösteriyorsunuz. Yazdığınız not kağıdını, mutfakta zarar görmesini engellemek için plastik bir poşetin içine koyuyorsunuz ve kapının altından atarak garsona ulaştırıyorsunuz. Garson not kağıdını, mutfakta bekleyen şefe ulaştırıyor ve şef de müşterinin siparişini hazırlıyor. Hala ofise kilitli olmanızı göz ardı edecek olursak, sorun çözüldü, öyle değil mi?

Hücrelerdeki transkripsiyon, az önceki örnekte, tarifi küçük not kağıtlarına yazmanıza ve kağının altından atmanıza benzetilebilir. Üzerinde tarifin yazılı olduğu not kağıdı, mesajcı RNA transkriptine (ya da kısaca mRNA transkriptine) benzetilebilir. mRNA transkriptleri, gendeki bilgiyi içeren tek iplikli bir RNA dizisidir. mRNA transkriptinin, yapıldığı DNA dizisinden daha küçük ve hareket edebilir, aynı bilgiyi içeren taşınabilir bir gen olduğunu düşünebilirsiniz.

Yeni bir şey öğrenirken, bu yeni şeyi, ne olduğunu bildiğiniz ve anladığınız bir başka şeyle ilişkilendirmek mantıklı olabilir. mRNA transkriptleri söz konusu olduğunda, DNA'nın yapısı ve fonksiyonları makalesini okumuş olduğunuzu varsayarak, bildiğiniz ve anladığınız şeyin, tek bir DNA ipliği olduğunu düşünebilirsiniz.

Aklınıza bir DNA ipliğini getirin, DNA'yı bir mRNA transkriptine dönüştürmek için şu iki değişikliği yapmanız gerekir:

Hidroksillenmiş deoksiriboz, riboz olarak adlandırılır. Demetile edilmiş timn ise urasil. Bir RNA ipliği ile DNA ipliği, yapılarında bulunan kimyasallar açısından birbirinin aynısıdır ancak RNA'da deoksiriboz yerine riboz, timin yerine de urasil bulunur.

Bu noktada, hücrelerin, transkriptlerini elde etmek için bir DNA ipliğini alarak yukarıda bahsettiğimiz değişiklikleri yaptıklarını düşünmek doğru olmaz. Hücreler bunun yerine, ellerinde mevcut olan riboz ve urasil kaynakları ile birlikte, diğer nükleotid bileşenlerini de kullanarak mRNA'yı sıfırdan inşa ederler. Az önce okuduğunuz kısımda, mRNA'nın yapısını anlamanın en iyi yolunun, bir DNA ipliğinden yola çıkarak, yukarıdaki iki değişikliği yapmak olduğunu anlatmak istemiştik.

DNA ile RNA arasındaki farkları anlayabilmek için aşağıdaki şemayı inceleyebilirsiniz.

mRNA transkriptleri, RNA polimeraz II adı verilen enzim ile elde edilir. İsminden de anlaşılacağı üzere, RNA polimeraz II, DNA polimeraza oldukça benzeyen bir enzimdir. Aralarındaki en önemli fark ise, kullanılan yapı taşlarıdır.

DNA polimeraz tek bir DNA ipliğini şablon olarak kullanarak bir DNA ipliği sentezler. Sentezlenen DNA ipliğindeki her bir nükleotid, şablon iplikteki nükleotidlerle eşlenir. RNA polimeraz II de, tek bir DNA ipliğini şablon olarak kullanır ancak bu şablonu kullanarak tamamlayıcı bir DNA İpliği sentezlemek yerine, tamamlayıcı bir RNA ipliği yani mRNA transkriptini sentezler.

RNA polimerazın işi bittiğinde, mRNA transkriptinin, çekirdekten çıkıp ribozoma ulaşabilmesi için işlenmesi gerekir. İşlenme, korunma ve uçbirleştirme olarak adlandırılan iki aşamada gerçekleşir.

Bu aşamada, mRNA transkriptinin iki ucuna nükleotidler eklenir ve böylece çekirdeğin dışında gerçekleşebilecek olan bozunmanın önüne geçilmiş olur. Tek bir G nükleotidinin 5' ucu, transkriptin 5' ucuna bağlanır. Bu, 5' başlık olarak adlandırılır. Transkriptin 3' ucuna ise A nükleotidlerinden oluşan uzun bir dizi eklenir. Bu da, poli-A kuyruğu olarak adlandırılır. 5' uç ve poli-A ucu, mRNA transkriptini, sitoplazmada bulunan, ekzonükleazlar olarak adlandırılan ve 5' uçları açıkta olan RNA moleküllerini hedef alan enzimlerin saldırılarından korur.

mRNA'nın işlenmesinin korunma aşamasını, İtalyan restoranı benzetmemiz bağlamında da değerlendirebiliriz. Üzerinde tarifin yazılı olduğu not kağıdını, mutfakta görebileceği, örneğin tarifi yazarken kullandığınız mürekkebe zarar verebilecek maddeler ya da su gibi zararlardan korumak için plastik bir poşetin içine koyduğunuzu hatırlıyorsunuz değil mi? 5' başlık ve poli-A kuyruğunun da amacı hemen hemen aynıdır.

mRNA'nın işlenmesinin bir diğer aşaması uçbirleştirme olarak adlandırılır. Uçbirleştirmenin amacı, intronların mRNA transkriptinden çıkarılmasıdır. İntronlar, protein yapımı ile ilgili bilgi içermeyen RNA dizileridir.

İntronlar, mRNA transkriptinden, splisozom adı verilen bir enzim kompleksi ile çıkarılır. Splisozomlar, intronların yerlerini belirler, çıkarımını yapar ve geriye kalan mRNA transkriptini yeniden bir aray getirir. mRNA transkriptinin splisozom tarafından işlenmeyen kısımları ise ekson olarak adlandırılır. İntronların aksine, eksonlar, mRNA'nın protein yapımı ile ilgili bilgi içeren kısımlarıdır. Henüz intronlarından arındırılmamış mRNA'lar, pre-mRNA olarak adlandırılır. Splisozomların ürettiği, intronlarından arındırılmış transkriptler ise primer (birincil) mRNA ya da "olgun mRNA" olarak adlandırılır.

İntronların çıkarılmasını da İtalyan restoranı benzetmesi bağlamında ele alalım mı? Büyük tarif defterindeki tarifler, tarifin kimden alındığı, aileniz için ne anlama geldiği ya da eşleştirilebileceği içecek veya diğer yemekler gibi, ekstra bilgiler içerebilir. Bu uzun versiyonlar, sizin amacınıza uygun olmadığıdan, tarifi ufak not kağıdına aktarırken bu ayrıntıları eklemek ve sadece siparişin hazırlanabilmesi için gerekli olan bilgilere odaklanırsınız. Transkripsiyona geri dönecek olursak, gerekli olan bu bilgiler eksonlar, eklenmeyecek diğer ayrıntılar ise intronlardır. Bunun sonucunda, daha küçük ve taşınabilir bir mRNA transkripti elde edilir.

mRNA korunma ve uçbirleştirme işlemlerine tabi tutulduktan sonra atık çekirdekten ayrılmak ve protein sentezinin ikinci aşaması olan translasyonu başlatmak için hazırdır.

Peki restoran benzetmemizde, kapının altından attığınız not kağıdı mutfağa ulaşamazsa ne olur? Şef, siparişin nasıl hazırlanacağını bilmediği için sipariş hazırlanamaz, öyle değil mi?

Yakın zamanlarda, bazı zor hastalıklar için yeni terapiler geliştiren bazı tıbbi terapi sınıfları, bu fikrin bir versiyonu kullandı. RNA interferansı adı altındaki bu yeni terapiler, mRNA transkriptlerinin ribozomlara ulaşmadan önünü kesip, kapasitelerini düşürerek, zararlı proteinlerin üretimini engellemeyi amaçlıyor. Ve bu, karşılık gelen proteinlerin de daha en başından üretilmemesi anlamına geliyor!

Ebola için yeni önerilen bir tedavi, RNA interferans tekniklerinin uygulaması için verilebilecek belki de en önemli örnektir.

Ebola da, diğer virüslerin büyük çoğunluğu gibi, bir transkripsiyon makinesidir. Polimeraz enzimi ile birlikte, küçük ve basit bir kromozom olarak düşünebileceğimiz viral bir genom içerir. Virüs, hücrelerinizden birine girdiğinde, polimeraz enzimi, genomundaki genlerin her biri için bir mRNA transkripti sentezler. Sonrasında ribozomlarınızın kontrolünü de ele geçirerek kendi proteinlerini sentezlemeye başlar. Bu yeni proteinler, ebola virüsü için sentezlendikten sonra da, yeni Ebola virüslerinin yapılması için talimat verilmiş olur.

Ebola'yla savaşmak için akla gelebilecek fikirlerden biri, bu süreci, replikasyonu daha başlamadan durduracak bir şekilde bozmaktır.

Laboratuvar ortamında sentezlenen bir molekül sınıfı olan küçük interfreans RNA'ları (kısaca siRNA) kullanan bilim insanları, Ebola virüsünün sentezlediği viral mRNA'ların, genetik mesajlarını konak hücrenin ribozomuna ulaştıramadan yakalanıp yok edilebileceğini kanıtladı. Ebola mRNA'sının olmaması, Ebola proteinlerinin de olamayacağı anlamına gelir! Ve Ebola proteinleri olmadan da, Ebola virüsü konak hücreler içinde çoğalma yeteneğini kaybeder!

Diğer yeni terapilerde olduğu gibi, Ebola'nın siRNA tabanlı tedavileri ilk olarak insan olmayan hayvan modeller için onaylandı. Ancak Batı Afrika'daki son salgın ve bunun Kuzey Amerika'ya sıçraması sonucu, Amerika Birleşik Devletleri Gıda ve İlaç Dairesi (FDA), TKM-ebola adı verilen, siRNA tabanlı bir Ebola tedavisine, "merhametli kullanım" statüsünde istisnai olarak onay verdi. Detaylar her ne kadar çok net olmasa da, TKM-ebolanın birçok farklı hastaya verildiği biliniyor ve bu hastaların iyileşmelerinde önemli bir ol oynamış olabileceği düşünülüyor.