400100710011-Bitki Hücre Biyolojisi
Prof. Dr. Ali ERGÜL
Ankara Üniversitesi, Biyoteknoloji Enstitüsü
http://biotek.ankara.edu.tr/
HAFTA-1 Bitki Hücre Biyolojisine Giriş-Bitki Hücre Biyolojisinde Temel Kimya Prensipleri HAFTA-2 Biyomoleküller
HAFTA-3 Hücresel Membranların Yapısı ve Fonksiyonları, Subcellular (Hücre içi) Organellerin Yapısı ve Fonksiyonları
HAFTA-4 Biyomoleküllerin Membranlar Arası Hareketi-I HAFTA-5 Biyomoleküllerin Membranlar Arası Hareketi-II HAFTA-6 Bitkilerde Mitoz-Mayoz Bölünme
HAFTA-7 Mendel Genetiği-I HAFTA-8 Mendel Genetiği-II HAFTA-9 Protein Sentezi-I HAFTA-10 Protein Sentezi-II
HAFTA-11 Kloroplast, Mitokondriyal Protein Sentezi HAFTA-12 Fotosentez
HAFTA-13 Bitki Hormonları HAFTA-14 Sinyal İletimi
HAFTA 9: PROTEİN SENTEZİ-I
Bitki Gen İfadesinin Temel Mekanizması
• Genetik bilginin akışı genetik materyal olan DNA’nın RNA’ya çevrilmesi ve bunu polipeptid sentezinin takip ettiği bir döngüdür.
DNA’daki bilginin fonksiyonel proteinlere nasıl çevrildiği mRNA ve taşıyıcı RNA’ların keşfi aracılığıyla anlaşılmıştır.
• DNA daki bilginin son olarak polipeptid olan ifadesi ve hücredeki bilgi aktarım reaksiyonlarının tamamı Santral Doğma olarak bilinmektedir.
• Bu proses 3 temel basamak içermektedir.
1. Replikasyon: DNA’nın kopyalanması
2. Transkripsiyon: DNA daki belirli bir bölgenin (gen) RNA ya kopyalanması
3. Translasyon: Genetik mesaj kodu olan mRNA’nın ribozomlarda okunması ve koda uygun polipeptid zincirlerinin sentezlenmesi
Bitki Gen İfadesinin Temel Mekanizması
Regulation of Gene Expression in Plants The Role of Transcript Structure and Processing (Editors:Carole L.Bassett)
Bitki Gen İfadesinin Temel Mekanizması
• Gen ifadesinin ilk basamağı transkripsiyon olup DNA kalıbından RNA kopyası sentezlenmektedir. Yapılan çalışmalarla bitkilerde çok sayıda organ spesifik mRNA’nın bulunabileceği belirtilmektedir.
Transkripsiyonun regülasyonunda DNA’ ya bağlanan birçok protein kompleksi farklı basamaklarda yer almaktadır.
• Prokaryotlarda transkript uzamakta, ribozomlara bağlanmakta ve protein sentezinin başlamasıyla transkripsiyon ve translasyon eş zamanlı olarak gerçekleşmektedir. Ökaryotlarda ise nüklear zarf ayrılmakta ve translasyon basamakları için seçici olarak mRNA’ ların çekirdekten ayrılarak ribozomal mekanizmanın bulunduğu sitoplazmaya geçişlerine izin verilmektedir.
• Bitkide mitokondri ve kloroplast organellerindeki genlerin ifadesi ise nüklear genomdaki genlerin ifadesinden farklıdır. Bu organellerdeki gen ekspresyonları çekirdeğe bağlı olup prokaryotlardaki gen ekspresyonu prosesine yakın mekanizmayı takip etmektedir.
Bitki Gen İfadesinin Temel Mekanizması
• RNA polimeraz ve diğer DNA bağlayıcı proteinler belirli zamanlarda hangi genlerin ifade olacağını düzenlemektedir. Her gen için transkripsiyon prosesi 2 kademede gerçekleşmektedir.
• İlk aşama, transkripsiyonun başlaması olup RNA polimeraz enzimi ve gen ifadesinin arttırılmasında görevli çeşitli polipeptidler görev almaktadır. Bu basamak genin ifade edilip edilmeyeceğine karar verilen aşamadır.
• İkinci aşamada ise RNA polimeraz birincil transkripti sentezlemek için eksprese olacak gen boyunca ilerler ve genin direk kopyasını oluşturmaktadır.
• Bu aşama ise çoğunlukla RNA işleme basamakları (intronların çıkarılması, 5’ ve 3’ uçların işlenmesi) ile birlikte yürütülmektedir.
RNA Polimerazlar
• DNA’ yı RNA’ ya kopyalamada görevli olan enzimler DNA bağımlı RNA polimerazlardır. Ökaryotlarda 3 farklı RNA polimeraza ihtiyaç vardır. Bunlar: RNA polimeraz I, RNA polimeraz II ve RNA polimeraz III’ dür.
• Bu polimerazların görevleri farklı olup çekirdekteki yerleşimleri de farklıdır.
• RNA polimeraz I nükleusta bulunup, rRNA ya kodlayan genlerin transkripsiyonunda, RNA polimeraz II nükleoplazmada yerleşmiş olup heterojen nüklear RNA’nın (hnRNA) sentezlenmesinde, RNA polimeraz III ise minör enzim olup nükleoplazmada yerleşmiştir ve tRNA ile diğer küçük RNA ların sentezlenmesinde sorumludur.
RNA Polimerazlar
• Tüm bitkilerde ve diğer ökaryotlarda RNA polimerazlar büyük alt ünitelere sahip olup (8-12 alt ünite) molekül ağırlığı 500 kDa’ dan büyük olan proteinlerdir. Yapısal olarak bu proteinler birbirine benzemektedir. RNA polimeraz II nin en büyük alt ünitesi karboksil terminal domaine (CTD) sahiptir. Bu yapı korunmuş sekans olarak Tyr-Ser-Pro-Thr- Ser-Pro-Ser içermekte ve birçok tekrara sahiptir.
Bu sebeple RNA polimeraz II nin sekansı kendine özgü olarak bilinmektedir.
• Bu yapıdaki tekrar sayısı önemli olup tekarların yarısından fazlasının delesyona uğraması yada çıkarılması ölümcül olmaktadır.
Bu domainin fosforilasyonu yada defosforilasyonu ile (serin ve treonin rezidularından) uzama yada transkripsiyona karar vermektedir. Organel genomları daha küçük olup RNA polimerazlar daha az sayıdaki genin transkripsiyonunda görev almaktadır.
RNA Polimerazlar
• Mitokondriyal RNA polimeraz tek alt üniteye sahip 140 kDa ağırlığında ve çekirdek tarafından kodlanmaktadır. Bu enzim bakteriyofaj RNA polimerazıyla yakından ilişkilidir. Mitokondriyal RNA polimeraz diğer taşıyıcı polipeptitlerle bağlantılı olarak çalışmaktadır.
• Kloroplast ise hem çekirdek hem de kendi genomu tarafından kodlanan RNA polimeraza sahiptir. Bu her iki RNA polimeraz kloroplast genlerinin transkripsiyonunda farklı basamaklarda yer almaktadır.
Promotorlar ve Diğer Düzenleyici Elementler
• Bitkilerde ve diğer ökaryotlarda promotor ifadesi genlerin transkripsiyonun başlamasında ve regülasyonunda çok önemli görevlere sahip nükleotid sekanslarının tanımlanmasında kullanılmaktadır. Bazı genlerde fonksiyonlarına göre bu sekanslar değişebilmekte ve sadece ‘core promotor’ veya ‘basal promotor’
içermemektedirler. Bu sekanslar başlama kompleksiyle birlikte core promotorun ifadesini arttıran ilave bir elementle daha etkileşime girebilen yapıdadır.
• Bitki promotor yapısı 2’ ye ayrılmaktadır:
1.Yapı, Core (basal) promotor: Gen ifadesinin arttırılması için gerekli minimum arttırıcı sekansı içermektedir.
2. Yapıda ise core promoturun aktivitesini düzenleyen sekans bulunmaktadır.
Promotorlar ve Diğer Düzenleyici Elementler
• RNA polimeraz I promotorları transkripsiyon başlama bölgesi (-45 ten +20’ye) ile ifade arttırıcı bir kontrol element içermektedir.
• RNA polimeraz II transkripsiyon başlama bölgesinden 100bp uzaklığa kadar uzamakta ve proksimal promotor sekansına denk gelen elementler içermektedir. T
• ranskripsiyonda kritik rol oynayan TATA kutusu ise transkripsiyon başlama bölgesinin 25-20bp üzerinde bulunmaktadır. Bu kutu TATAAA(A) sekansına sahip olup transkripsiyon başlama kompleksi için bölge oluşturmaktadır.
• Bitki genlerinin yaklaşık %85’i TATA kutusu içermektedir. Ayrıca bazıları TATA’ ya ek olarak minimum promotorlar olan ‘CAAT’ ve
‘GC’ kutularını da içermektedir.
Bitki Gen İfadesi Sırasında Transkripsiyon ve Translasyon
Bitki gen ifadesi sırasında transkripsiyon ve translasyonun şematik görüntüsü
Regulation of Gene Expression in Plants The Role of Transcript Structure and Processing (Editors:Carole L.Bassett)
Promotorlar ve Diğer Düzenleyici Elementler
• Bu iki düzenleyici element (‘CAAT’ ve ‘GC’) transkripsiyon faktörleri için bağlanma bölgesi olup transkripsiyon başlama kompleksi ile etkileşime girerek transkripsiyonu düzenlemektedirler. Bu diziler transkripsiyon ünitelerine yakın olup düzenlemeyle ilişkili cis-akting elementler olarak bilinmektedirler.
• Cis-akting sekanslara bağlanan transkripsiyon faktörleri ise trans- akting faktörler olarak adlandırılmaktadır.
• Diğer cis akting sekansların proksimal promotorun üzerinde bulunduğu ve bitki gen ifadesinin pozitif veya negatif olarak düzenlenmesinde etkili oldukları belirlenmiştir.
Promotorlar ve Diğer Düzenleyici Elementler
• Bu diziler (proksimal promotorun üzerinde bulananlar) merkezden uzak düzenleyiciler olarak adlandırılmakta ve genellikle transkripsiyonun başlama bölgesinden 1kbp’lik uzaklıkta lokalize olmuşlardır. Bu bölgeye bağlanan pozitif transkripsiyon faktörleri
“aktivatör”, negatif transkripsiyon faktörleri ise “represör” olarak adlandırılmaktadır.
• Bunların yanı sıra bitkilerle birlikte diğer ökaryotlardaki gen ifadesinin düzenlemesi transkripsiyon başlama bölgesinden oldukça uzak olan diğer elementlerle de kontrol edilmektedir. Bu elementler enhensır olarak adlandırılmaktadır.
• Bitkilerde birçok genin ifadesinin “enhansır” ile düzenlendiği belirlenmiştir.
Ders Kapsamında Yararlanılan Kaynaklar
1. Hücrenin Moleküler Biyolojisi, 2008, Alberts ve ark. ISBN:
9789944252225.
2. Plant Biology (Editors: A.J. Lack and D.E. Evans) 2001. School of Biological and Molecular Sciences, Oxford Brookes University, Oxford, UK.)
3. Plant Cell Biology (Editors: William V. Dashek, Marcia Harrison) 2006.
4. Regulation of Gene Expression in Plants The Role of Transcript Structure and Processing (Editors:Carole L.Bassett).
