Ana içerik

Konu: AP®︎/Üniversite Biyoloji > Ünite 6

Ders 3: Transkripsiyon ve RNA'nın İşlenmesi

Ökaryotik pre-mRNA'nın İşlenmesi

5' cap (başlık) yapısı ve poli A kuyruğu. Uçbirleştirme, intron ve eksonlar.

Önemli noktalar:

Ökaryot bir hücrede bir RNA transkripti yapıldığında, bir pre-mRNA (öncül mRNA) olarak adlandırılır ve bir mesajcı RNA (mRNA) olabilmesi için işlenmesi ya da ilave işlemlerden geçmesi gerekir.
RNA transkriptinin başlangıcına bir 5' başlık, sonuna ise bir 3' poli-A kuyruğu eklenir.
Uçbirleştimede (splicing), RNA transkriptinin, intronlar adı verilen bazı bölgeleri çıkarılır ve çıkarma işleminden sonra geriye kalan, ekson adı verilen bölgeleri yeniden bir araya getirilir.
Bazı genler, alternatif uçbirleştirmeye uğratılır, bunun sonucunda, aynı başlangıç transkriptinden, farklı ve olgun mRNA molekülleri elde edilir.

Giriş

Şimdi bir kitap fabrikanız olduğunu ve en sevdiğiniz kitabın tüm sayfalarının basımının tamamlandığını düşünün. Sayfalar elinizde ancak kitap hazır mı? Tabii ki de hayır! Sayfaların bir kitap olacak şekilde bir araya getirilmesi ve kitabın kapaklarının olması gerekir, öyle değil mi? Ek olarak, basımı tamamlanmış olan sayfalar arasında, boş ya da hatalı olanların olup olmadığının da kontrol edilmesi gerekir. Kitabı alan müşterilerin mutsuz olmaması adına, kitap satışa çıkmadan tüm bu kontrollerin yapılması gerekir.

Kitap örneğinde bahsettiğimiz durum, vücudumuz hücrelerinde RNA transkriptinin maruz kaldığı duruma çok benzer. İnsanlar ve diğer ökaryotlarda, yeni sentezlenmiş olan RNA transkripti (RNA polimeraz baskı makinesinden taze çıkmış olan), henüz tam anlamıyla hazır değildir. Bu RNA, pre-mRNA ya da öncül mRNA olarak adlandırılır ve translasyona katılabilecek olgun bir mesajcı RNAya (mRNA) dönüşebilmesi için bazı ilave işlemlerden geçmesi gerekir. Bu işlemleri aşağıdaki gibi özetleyebiliriz:

Transkript molekülünün iki ucuna bir başlık ve bir kuyruk molekülünün eklenmesi. Bunlar, aynen bir kitabın kapakları gibi mRNA molekülü için koruyucu bir rol üstlenirler.
İntron adı verilen işe yaramayan dizilerin çıkarılması. Bu noktada, intronları, basımı tamamlanmış sayfalar arasında boş ya da hatalı olanlar gibi düşünebiliriz. Kitabın okunabilir olması için bu sayfaların çıkarılması gerekir.

Bu makalede, başlığı, kuyruğu ve RNA transkriptlerinin maruz bırakıldığı ökaryotik modifikasyonları ayrıntılı bir şekilde ele alacak, nasıl gerçekleştiklerini ve RNA'dan doğru proteinin elde edilmesi adına neden önemli olduklarını öğreneceğiz.

Ökaryotik pre-mRNA'nın işlenmesine genel bakış

Hızlı bir tekrar olması adına, bir genin protein ya da bir proteinin bir kısmının sentezlenebilmesi için okunması olarak tanımlanan gen ifadesinin bakteri ve insanlar gibi ökaryotlarda farklı gerçekleştiğini hatırlatmak isteriz.

Bakterilerde, RNA transkriptler, mesajcı RNA gibi davranarak protein sentezine başlamak için hazırdırlar. Ökaryotlarda ise işler bir miktar daha karmaşık ve ilginçtir. Ökaryotik hücrelerinizin birinde, transkripsiyon sonucu sentezlenmiş olan molekül, pre-mRNA ya da öncül mRNA olarak adlandırılır. Bu, gerçek bir mesajcı RNA'ya (mRNA) dönüşebilmesi için işlenmesi gerektiği anlamına gelir. pre-mNA'nın geçireceği işlemler arasında:

RNA'nın başına bir 5' başlık eklenmesi
RNA'nın sonuna bir poli-A kuyruğu (A nükleotidlerinden oluşan bir kuyruk) eklenmesi
İşe yaramayan diziler olan intronların çıkarılması ve çıkarma işlemi sonunda geriye kalan iyi dizilerin (eksonlar) yeniden bir araya getirilmesi

pre-mRNA bu işlemleri tamamladıktan sonra, olgun bir mRNA molekülü haline gelir. Çekirdekten dışarı çıkar ve protein sentezi için kullanılır.

5' başlık ve poli-A kuyruğu

pre-mRNA'nın iki ucu da, kimyasal grupların eklenmesi ile değişikliğe uğratılır. Başlangıçtaki grup (5' uç), başlık olarak adlandırılırken sonda yer alan grup ise (3' uç), kuyruk olarak adlandırılır. Hem başlık hem de kuyruk, transkripti korurken, çekirdekten dışarı çıkarılmasına ve sitozolde bulunan ribozomlarda (protein yapıcı "makineler") translasyonunun gerçekleşmesine yardımcı olur

^{1}

5' başlık, transkripsiyon sırasında, transkriptin ilk nükleotidine eklenir. Başlık, modifiye edilmiş bir guanin nükleotididir ve transkriptin parçalanmasını engeller. Aynı zamanda ribozomun mRNA'ya bağlanıp, protein sentezi için okunmaya başlamasına yardımcı olur.

Poli-A kuyruğu nasıl eklenir? RNA'nın 3' ucu biraz garip bir şekilde oluşur. Transkripsiyon sırasında, poliadenilasyon sinyali adı verilen bir dizi ortaya çıktığında, bir enzim RNA'yı bu bölgede ikiye keser. Farklı bir enzim, kesilmiş bölgeye

100

-

200

adenin (A) nükleotidi ekler ve böylece bir poli-A kuyruğu oluşturur. Kuyruk, transkriptin kararlılığını arttırır ve çekirdekten sitozele aktarılmasına yardımcı olur.

RNA uçbirleştirme (splicing)

Hücrelerimizdeki RNA'nın işlenmesindeki üçüncü büyük olay, RNA uçbirleştirme (splicing) olarak adlandırılır. RNA uçbirleştirmede, pre-mRNA'nın, intron olarak adlandırılan kısımları, bir protein ve RNA kompleksi olan splisozom tarafından algılanır ve çıkarılır. İntronların, RNA molekülünün "iyi kısımlardan oluşan versiyonunun" bir araya getirilmesi için çıkarılması gereken "işe yaramayan" diziler olduğunu düşünebiliriz.

"İyi kısımlar", tam olarak ne anlama geliyor? RNA'nın çıkarılmayan kısımları da ekson olarak adlandırılır. Eksonlar, splisozom tarafından bir aaya getirilir ve böylece çekirdekten dışarıya aktarılmaya hazır olgun bir mRNA elde edilmiş olur.

Burada önemli olan, protein kodlamada yalnızca eksonlar olmasıdır. İntronlar, protein sentezi için bilgi taşımamakla birlikte, mRNA'nın bir proteini doğru bir dizilim ile kodlayabilmesi için çıkarılmaları gerekir. Splisozom bir intronu çıkarmazsa, "işe yaramayan" bilgi içeren bir mRNA oluşur ve translasyon sırasında da yanlış protein sentezlenir.

Uçbirleştirmenin doğru ve tutarlı olması gerekir. RNA'nın özenli bir şekilde kesilmesi ve birleştirilmesinden sorumlu olan splisozom, protein ve küçük RNA'lardan oluşmuş bir enzim kompleksidir. İntronların çoğu, uçlarında markör diziler içerirler ve bu diziler, küçük RNA'lar tarafından algılandıktan sonra, splisozom intronu çıkarması için yönlendirilir. İntron çıkarıldıktan sonra, splisozom, eksonları "yapıştırır".

Alternatif uçbirleştirme

Neden uçbirleştirme? Uçbirleştirmenin neden var olduğunu tam olarak bilmiyoruz ve bunun aslında atık anlamında son derece duyarsız bir sistem olduğunu söylemek de mümkün. Yine de, uçbirleştirme, alternatif uçbirleştirme adı verilen bir süreci mümkün kılar. Alternatif uçbirleştirme sayesinde, aynı genden birden fazla mRNA elde edilebilir. Alternatif uçbirleştirme sayesinde, biz (ve diğer ökaryotlar), DNA'mızdaki genlerden daha fazla proteini biraz da sinsi bir şekilde sentezleyebiliriz.

Alternatif uçbirleştirmede, bir pre-mRNA, iki hatta bazen daha da fazla farklı yoldan biri uygulanır. Örneğin aşağıdaki şemada, aynı pre-mRNA'nın, hangi eksonlarının saklanacağına bağlı olarak üç farklı şekilde uçbirleştirmeye uğratılabileceğini görüyoruz. Bunun sonucunda üç farklı olgun mRNA elde edilir ve her birinin, yapısı farklı bir proteine translasyonun gerçekleşir.

_Görsel hakları: "DNA, alternative splicing," National Human Genome Research Institute (kamusal kullanım)._

Bu, harika bir soru! Ve profesyonel biyologların da bu sorunun cevabına ihtiyacı var! İntronların ve uçbirleştirmenin, ökaryotlarda neden bu kadar yaygın olarak görüldüğünü henüz bilmiyoruz.

Olasılıklardan biri, uçbirleştirmenin genel anlamda, ökaryotlar için önemli olan ve bir genden farklı birçok protein sentezlenmesini sağlayan alternatif uçbirleştirmeyi mümkün kılmasıdır. Ek olarak, intronların zaman zaman bir genin ifadesini kontrol eden diziler içerdiğini de biliyoruz. Bu diziler, işe yaramayan diziler değildir

^{2}

. Zaman zaman, gen ifadesini kontrol eden küçük RNA'lar da kesilerek çıkarılmış bu intronlardan gelmektedir

^{3}

. Ayrıca, ekson ve intronların var olması, gen parçalarını karıştırıp eşleştiren mutasyon olayları sonucu yeni gen ve alellerin ortaya çıkmasına, dolayısıyla da evrimsel avantajlara sebebiyet vermektedir

^{2, 4}

Kendiniz deneyin: Mesajı kesin ve birleştirin

Sizin göreviniz, tabii eğer kabul ederseniz: aşağıdaki son derece gizli mesajı çözmek. İlk olarak mor olan ve altı çizili "işe yaramayan" harfleri çıkarmanız; ikinci olarak da, geriye kalan harfleri, birincisinden başlamak üzere üçlü gruplara bölmeniz gerekiyor.

THEDOGR

\underset{―}{AMAPQ}

ANANDA

\underset{―}{ZAPTQM}

TETHEHAT

Denediniz mi?

Mor dizileri çıkardığınızda, aşağıdaki harf dizisini elde etmiş olmanız gerekiyor:
Kalan harfleri de üçlü gruplara ayırdığınızda da, şu mesajı elde etmeniz gerekir:

Az önce gerçekleştirdiğiniz işlemler, hücrelerimizin de gen ifadesi gerçekleştirirken yapmaları gereken işlemlerdir. Makalenin başında da bahsettiğimiz üzere, ökaryotik pre-mRNA'ların çoğu, aynen yukarıdaki örnekteki mor harfler gibi, intron adı verilen "işe yaramayan" diziler içeriyor. Olgun mRNA'nın elde edilebilmesi için, bu dizilerin çıkarılması ve sonrasında da geriye kalan, yukarıdaki mesajdaki kahverengi harflere karşılık gelen, ekson adı verilen anlamlı dizilerin yeniden bir araya getirilmeleri gerekir.

Translasyon sırasında, mRNA dizilimi, üçlü nükleotid grupları halinde okunur. Üç harften oluşan her "kelime", polipeptide (protein ya da protein alt birimi) eklenen bir amino aside karşılık gelir. RNA uçbirleştirme işlemine maruz bırakılmamış olsaydı, sahip olmaması gereken fazla nükleotidleri de içerecekti ve bu da doğru olmayan bir protein "mesaj"ına sebebiyet verecekti. Aynı durumla, yukarıdaki mesajdaki mor harfleri çıkarmadığımızda da karşılaşabiliriz:

THE DOG R

\underset{―}{AM APQ}

ANA NDA

\underset{―}{ZAP TQM}

TET HEH AT

Cümledeki mor harfleri çıkarmak, doğru mesajı elde etmemize yardımcı olduğundan, mRNA'nın da doğru bilgiyi taşıması (ve doğru polipeptidin üretimi) için uçbirleştirme son derece önemlidir.

Aşağıda, eksonları koyu bordo, intronları da mor ve altı çizili harflerle gösterilmiş bir pre-mNA dizisi görüyorsunuz:

5’- … AUGCACUAU

\underset{―}{GUAUGUGCCUUUUUGUGCUGUG}

GAAGCGUAA … -3’

pre-mRNA doğru bir şekilde kesilip birleştirildiğinde, olgun mRNA'nın nükleotidleri aşağıdaki üçlü gruplar halinde okunur ve bunun sonucunda da aşağıda gösterilen polipeptid elde edilir:

5’- … AUG CAC UAU

GAA GCG UAA … -3’

Met - His - Tyr - Glu - Ala - STOP

İntron, pre-mRNA'dan doğru bir şekilde çıkarılmazsa, sonuç olarak elde edilen anormal mRNA fazladan nükleotidlere sahip olur. Nükleotidler, aşağıda gösterildiği gibi üçlü gruplar halinde okunduğunda da, amino asit dizilimi doğru olmayan bir polipeptid elde edilir. Olması gerekenden fazla amino asit bulunur ve ikinci eksonun belirlediği amino asit, okuma çerçevesinin kayması sebebiyle polipeptidde yer almaz.

5’- … AUG CAC UAU

\underset{―}{GUA UGU GCC UUU UUG UGC UGU G}

GA AGC GUA A … -3’

Met - His - Tyr - Val - Cys - Ala - Phe - Leu - Cys - Cys - Gly - Ser - Val …

Yukarıda ele aldığımız, amino asitler ve nükleotidler arasındaki tüm bu bağlantılar, genetik kod tablosu kullanılarak belirlenebilir.

Bourdin ve çalışma arkadaşlarının intron dizisi değiştirilmiş.

^{4}

Bu makale CC BY-NC-SA 4,0 lisanslıdır.

Alıntı yapılan çalışmalar:

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V. ve Jackson, R. B. (2011). Alteration of mRNA ends. Campbell biology (10. bsakı, sayfa 342-343). San Francisco, CA: Pearson.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V. ve Jackson, R. B. (2011). The functional and evolutionary importance of introns. Campbell biology (10. baskı, sayfa 344). San Francisco, CA: Pearson.
Keren, H., Lev-Maor, G. ve Ast, G. (2010). Alternative splicing and evolution: diversification, exon definition and function. Nature Reviews Genetics, 11, 345-355. http://dx.doi.org/10,1038/nrg2776. Alıntı yapılan adres: https://www.tau.ac.il/~gilast/PAPERS/nrg2776.pdf.
Standage, D. (8 Nisan 2012). Why do eukaryotic organisms have introns in their DNA? [Answer] Biology stack exchange. Alıntı yapılan kaynak: http://biology.stackexchange.com/questions/1724/why-do-eukaryotic-organisms-have-introns-in-their-dna.
Bourdin, C. M., Moignot, B., Wang, L., Murillo, L., Juchaux, M., Quinchard, S., Lapied, B., Guérineau, N. C., Dong, K. ve Legros, C. (2013). Intron retention in mRNA encoding ancillary subunit of insect voltage-gated sodium channel modulates channel expression, gating regulation and drug sensitivity. PLoS ONE, 8(8), e67290. http://dx.doi.org/10,1371/journal.pone.0067290.

Ek referanslar:

3'-end cleavage and polyadenylation. (2016). Nobelprize.org. Alıntı yapılan adres: http://www.nobelprize.org/educational/medicine/dna/a/splicing/splicing_endformation.html.

Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. ve Walter, P. (2002). Posttranscriptional controls. Molecular biology of the cell (4. baskı). New York, NY: Garland Science. Alıntı yapılan adres: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26890/.

Intron/introns. (2014). Scitable. Alıntı yapılan adres: http://www.nature.com/scitable/definition/intron-introns-67.

Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S. L., Matsudaira, P., Baltimore, D. ve Darnell, J. (2000). Processing of eukaryotic mRNA. Molecular cell biology (4. baskı, bölüm 11,2). New York, NY: W. H. Freeman. Alıntı yapılan adres: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21563/.

Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S. L., Matsudaira, P., Baltimore, D. ve Darnell, J. (2000). Transcription termination. Molecular cell biology (4. baskı, bölüm 11,1). New York, NY: W. H. Freeman. Alıntı yapılan adres http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21601/.

Polyadenylation. (24 Ocak 2016). 11 Şubat 2016'da Wikipedia'dan indirilmiştir: https://en.wikipedia.org/wiki/Polyadenylation.

Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B. ve Singer, S. R. (2014). Genes and how they work. Biology (10. baskı, AP edisyonu, sayfa 278-303). New York, NY: McGraw-Hill.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V. ve Jackson, R. B. (2011). Eukaryotic cells modify RNA after transcription . Campbell biology (10. baskı, sayfa 342-345). San Francisco, CA: Pearson.

Tartışmaya katılmak ister misiniz?

Giriş Yap

Sıralama ölçütü:

Henüz gönderi yok.

İngilizce biliyor musunuz? Khan Academy'nin İngilizce sitesinde neler olduğunu görmek için buraya tıklayın.