MOLEKÜLER BİYOLOJİ ve GENETİĞİN UYGULAMALARI 4. Ders Gen anlatımının düzenlenmesi ve Epigenetik Doç. Dr. Aslıhan TEMEL İ.Ü. Fen Fak. Moleküler Biyoloji ve Genetik
26.10.2017
1
Genotip + genetik etkileşimler + çevre + varyasyon
FENOTİP
26.10.2017
2
– Kalıtım birimi GEN – Kromozomların üzerinde – DNA’nın segmentleri – Bu birimin anlatımı, RNA veya polipeptid, gen anlatımı «gene expression» – DNA dizisi, genom – Genlerin tümü, genotip
26.10.2017
3
– Erişkin bir insan 200’den fazla hücre tipi – Kromozom sayısı ve DNA dizisi aynı, mitoz – Genetik bilginin okunması ile fenotip oluşur – DNA’dan mRNA ve polipeptid veya RNA – Bireylerarası ve hücrelerarası – Genlerin belirli zaman ve belirli yerde (hücre) – Genler açılır «turn on» veya kapanır «turn off» – Yeryüzünde en bol bulunan protein ribulose 1,5bisphosphate carboxylase/oxygenase (rubisco) 26.10.2017
4
26.10.2017
5
The fundamental problem of chemical physiology and of embryology is to understand why tissue cells do not all express, all the time, all the potentialities inherent in their genome. 26.10.2017
6
– Housekeeping, tüm dokularda, aynı düzeyde, temel hücresel işlevler (nukleotid sentezi vb.) glucose-6-phosphate isomerase – Gereksinim anında genin anlatımı yapılır – Enerji kaybını azaltma, çeşitlilik – Gen anlatımının kontrolü/düzenlenmesi, kontrol elementler – cis «DNA dizileri», promotör, enhancer, silencer; birden fazla gen için ortak, gene uzak olabilir – trans «protein», TF, steroid reseptör, dokuya özgü,
26.10.2017
7
– Bakterilerde çok hızlı ve kontrollü – Bir metabolik süreçte iş gören genler arka arkaya ve tek bir promotör, operon – Negative regulation – Repressör protein, operatör bölgeye bağlanır ve gen anlatımını engeller – Positive regulation – Aktivatör protein, operatöre bağlanır ve gen anlatımını başlatır, ökaryotlarda yaygın – Signal molecule, represör/aktivatöre bağlanır
26.10.2017
8
– Inducible operon; katabolik, lac – Glikoz yerine lactoz – Represör protein gen anlatımını engeller – Laktoz, represöre bağlanır, gen anlatımı başlar – lactose permease (Z), β-galactosidase (Y), thiogalactoside transacetylase (A) – I, represör
26.10.2017
Alberts et al. (2002) Molecular Biology of the Cell
9
– Repressible operon; anabolik, trp – 5 farklı enzim kodlayan 5 gen – trpR geni represör kodlar, inaktif – Triptofan miktarı arttığı zaman represöre bağlanır – Trp operonu sessizleşir
26.10.2017
Alberts et al. (2002) Molecular Biology of the Cell
10
gluconeogenesis, glycolysis PEPCK anlatımı, insulin, tarafından baskılanır, glukagon tarafından arttırılır
26.10.2017
11
Nelson ve Cox (2017) Lehninger Principles of Biochemistry 26.10.2017
12
26.10.2017
Nelson ve Cox (2017) Lehninger Principles of Biochemistry
13
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
26.10.2017
Primer RNA sentezi «transkripsiyon» RNA’nın transkripsiyon sonrası modifikasyonu mRNA yıkımı Messenger RNA degradation Protein sentezi «translation» Proteinlerin translasyon sonrası modifikasyonu Protein dolaşımı «transport» Protein yıkımı
14
DNA bağımlı RNA polimeraz I-III, promotör, iki iplikli, Transkripsiyon faktörü RNA polimeraz fosforillenir, ~ açılma, Promotörün ~ 25 bç downstream, kalıp zincir, rNTP, 5’ 3’ 5’ şapka (7-methylguanylate) ve 3’ poliA kuyruğu eklenir, intronlar çıkarılır ve eksonlar bağlanır «splicing» (fibronectin, fibroblast ve hepatosit)
26.10.2017
Lodish et al. (2000) Molecular Cell Biology Nelson ve Cox (2017) Lehninger Principles of Biochemistry
15
Ribozom/polizom, genetik kod, a.a, polipeptid Küçük altbirim, initiation factor (IF3), metionin-tRNA, kompleks mRNAdaki AUG, initiation factor (IF4), met-tRNA anticodon-codon, büyük altbirim Ribozom mRNA üzerinde hareket eder, peptid bağı 3D protein yapı, işlev Amino asitlere, fosfat, carboksi, asetil gibi Karbohidrat, izoprenil Sistein aa. arasında disülfit bağı Boyutu küçülebilir; proinsulin-insulin ER, mitokondri, kloroplast, nukleus, kistik fibroz, retinitis pigmentosa 30 saniye-birkaç gün, a.a ayrılırlar, Alzheimer, Parkinson, kanser 26.10.2017
Lodish et al. (2000) Molecular Cell Biology Nelson ve Cox (2017) Lehninger Principles of Biochemistry
16
– RNA ve protein modifikasyonları – DNA/kromatin modifikasyonları – DNA dizisindeki değişim, mutasyon, genetik varyasyon – DNA/kromatin yapısında gerçekleşen ve gen anlatımını etkileyen değişimlere epigenetik modifikasyon denir – Bir hücrenin içerdiği kromatin özelliklerine epigenom – Genin anlatımını belirler
26.10.2017
17
– Above genetics – Mitoz sırasında kromozom – İnterfaz sırasında kromatin – Nukleusa dağılmış – DNA, histon proteinleri ile paketlenmiş – Açık, gevşek «loose», euchromatin – Kapalı, kompakt, heterochromatin – Kromatinin temel birimi nukleozom – Histon olmayan proteinler, kromozom yapısı, katlanma ve gen anlatımının düzenlenmesi – Arjinin ve lizin, bazik – H3 ve H4 en korunmuş 26.10.2017
18
26.10.2017
Nelson ve Cox (2017) Lehninger Principles of Biochemistry
19
– Nukleozom; 2 adet H2A, H2B, H3, H4 oktamerin üzerine sarılmış DNA ~146 bp DNA – İplik üzerindeki boncuk «beads-on-a-string» – 2 nukleozom arasında «linker DNA», uzunluğu değişken – Her nukleozomda bir adet H1 – Nukleozom yoğunluğu yüksek, gen anlatımı düşük – Replikasyon ve transkripsiyon başlangıç noktaları, nukleozom düşük
26.10.2017
20
26.10.2017
© 2013 Nature Education Adapted from Pierce, Benjamin. Genetics: A Conceptual Approach, 2nd ed.
21
– H1, 2 adet nukleozomu biraraya getirir, 30 nm solenoid fiber, 30 nm – H3 ve H4 N-terminal, asetil, fosfat – Non-histone protein, heterochromatin protein 1 (HP1), high-mobility group (HMG), 300 nm, interfaz – Condensin, 700 nm kromatid, metafaz – Anlatım yapan genler, halka «loop»
26.10.2017
22
– En çok araştırılan epigenetik değişim, sitozin metilasyonu (5mC) – Sitozin 5. karbon, metiltransferaz, DNMT – S-adenosyl methionine (AdoMet) – Erken embriyogenik evre – DNA replikasyonundan sonra, yeni zincirde tekrar – CG, CHG, CHH, H is A, T, or C (5mC)
26.10.2017
Armstrong (2013) Epigenetics
23
Passarge (2012) Color Atlas of Genetics http://utminers.utep.edu/rwebb/html/mutagenesis__spontaneous.html 26.10.2017
24
– 5mC, bazı TF tarafından tanınmaz – Bazı represör proteinler (methyl-CpG-binding domain proteins, MECP2), 5mC’ye bağlanır – 5mC zengin DNA kapalı, kompakt kromatin – Kapalı kromatin yapısına dolaylı (histon deasetilasyonu)
26.10.2017
Armstrong (2013) Epigenetics
25
– Histon N-terminal modifikasyon – asetilasyon, metilasyon, fosforilasyon ve ubikitinasyon – DNA metilasyonunu, histon yapısı yönlendirir – Erken embriyogenik dönemde RNA pol II, H3K4 metiltransferaz çeker – H3K4me, DNA metilasyonunu engeller – Geri dönüşebilir – Histon asetiltransferaz, metiltransferaz
26.10.2017
26
– Histon asetilasyonu, lizin a.a. pozitif yük, açık kromatin, gen anlatımı – Histon deasetilasyonu – H3K9ac, histon 3, 9. lizine asetil grubu eklenmesi – Histon metilasyonu, lizin ve arjinin – 1-3 adet metil grubu, histon metiltransferaz, SAM – Bulunduğu bölgeye göre farklı protein – H3K9me sessiz, H3K4me aktif – Kanser
26.10.2017
27
26.10.2017
Tollefsbol (2012) Epigenetics in Human Disease
28
– Chromatin remodeling – Histone ve DNA arasındaki etkileşim – SNF2 , DDM1, ATRX – Nukleozom kaydırma – Özel histon (H3.3, H2A.Z) eklenmesi
26.10.2017
29
– Rheumatoid arthiritis – Systemic lupus erythematosus – Kanser, obezite, diyabet
26.10.2017
Egger et al. (2004)
30
26.10.2017
31
– Hangi genler? – Hangi mekanizma? – Sonuçları neler? – Kalıtılır mı? Nasıl? – Nasıl tedavi?
26.10.2017
32
26.10.2017
33
