BAKTERİYOLOJİ – BÖLÜM DOKUZ

GENETİK DÜZENLEME MEKANİZMALARI


Gene Mayer, PhD
Emeritus Professor
University of South Carolina School of Medicine

Çeviren.
Prof. Dr. Mustafa Demirci
İzmir Katip Çelebi Üniversitesi,
Tıp Fakültesi, Tıbbi Mikrobiyoloji A.D. İzmir, Türkiye 
 

ÖĞRENİM HEDEFLERİ
Bakteri genlerinin yapısı ve transkripsiyonu tartışmak
Bakterilerde moleküler mekanizmaları tanımlamak için gen aktivitesininin düzenlenmesini kullanmak
Uyarılabilir ve bastırılabilir operonlan karşılaştırmak ve zıtlıklarını tanımlamak
Katabolik baskılara ve zayıflamada rol oynayan moleküler mekanizmaları tanımlamak Bakterilerde enzim aktivitesini düzenleyen yolları tartışmak
 

Bakteriler, her zaman bütün yapabildikleri proteinleri yapmazlar. Aksine, onlar çevreye uyum sağlayabilirler ve sadece belirli bir ortamda hayatta kalmak için gerekli olan gen ürünlerini yapabilirler. Örneğin, bakteriler ortamda bol triptofan kaynağı olduğunda triptofan yapmak için gerekli enzimleri sentez etmezler. Triptofan ortamda bulunmadığı zaman bu enzimler yapılır. Benzer şekilde, bir bakteride bir antibiyotiğe direnç kazandıran bir gen bulunduğu zaman bu genin eksprese edileceği anlamına gelmez. Direnç geni, sadece antibiyotik ortamda mevcut olduğunda ifade edilebilir.

Bakteriler genellikle, gen ekspresyonunu mRNA transkripsiyonu seviyesinde düzenleyerek kontrol etmektedir. Bakterilerde bu fonksiyonu gören genler genellikle birbirlerine bitişik yer alır ve koordineli düzenlenir (örn; biri eksprese edildiğinde, hepsi eksprese edilir). Kümelenmiş genlerin koordineli düzenlenmesi bir polisistronikmRNAüretimininin düzenlenmesi ile gerçekleştirilir (örn; birkaç genin bilgilerini içeren geniş bir mRNA). Böylece, bakteriler çevrelerine "duyarlı" dırlar ve ortam için gerekli olan genlerin transkripsiyonunu düzenleyerek uygun bir dizi eksprese ederler.
 

ANAHTAR KELİMELER
Gen ekspresyonunu koordine etmek, Polisistronik m-RNA, Promoter (başlatıcı), Operon, İndüklenebilir operon, İndükleyici, Yapısal gen, Düzenleyici gen, Represör, Operator, Negatif kontrol, Katabolit baskısı, CAP proteini, Pozitif kontrol, Bastırılabilir operon, Co-represör, Apo-represör, Azaltma-zayıflama, Lider bölgesi, Geri Bildirim inhibisyonu, Epigenetik değişiklik.
 

  Şekil 1; Laktoz operon

  Şekil 2; Glukozun varlığında veya yokluğunda lak genlerinin transkripsiyonu.

Indüklenebilir genler - operon modeli

Tanım

Bir uyarılabilir gen ortamında bir madde (bir indükleyici) varlığında eksprese edilen bir gendir. Bu madde, bu maddenin metabolizmasında rol oynayan bir ya da daha fazla genin (yapısal genler) ekspresyonunu kontrol edebilirler. Örneğin, laktoz metabolizmasından sorumlu olan, lak genlerin ekspresyonuna laktoz neden olur. Bir antibiyotik profilaksi bu antibiyotiğe karşı dirence yol açan bir genin ekspesyonuna neden olabilir.
 

ndüksiyon, bir maddenin normal yolda indükleyici olduğu ve bu maddenin katabolizmasıyla sonuçlanan yaygın metabolik yoldur.

Laktoz Operon

Yapısal genler
Laktoz operonu (Şekil 1), laktoz metabolizmasında rol oynayan enzimleri kodlayan üç yapısal geni içerir.

• Lac z geninin kodladığı Β-galaktosidaz, laktozu glukoz ve galaktoza parçalayan bir enzimdir.

• Lac y geninin kodladığı permeaz, laktoz alımında görev alan alır.

• Lak a geni galaktoztransacetylase'ı kodlar.

Bu genler, üç enzim vermek üzere kopyalanan bir polisistronikmRNA'ya bir ortak başlatıcıdan transkripte edilir.

Düzenleyici gen
Yapısal genlerin sentezlenmesi, sadece uyarıcının varlığında veya yokluğunda etkilenmez, aynı zamanda belirli bir düzenleyici gen tarafından kontrol edilir. Düzenleyici gen etkilediği genin bitişiğinde veya uzağında olabilir. Düzenleyici gen, represör olarak adlandırılan belirli bir protein ürünü kodlar.

Operatör
Represör, operatör olarak adlandırılan ve regüle edilen yapısal genlere bitişik olan DNA'nın belirli bir bölgesine bağlanarak etki eder. Öperatör bölgesi ve promotör ile birlikte yapısal genler bir operon olarak adlandırılır. Bununla birlikte, represörün operatöre bağlanması indükleyici ile önlenir ve indükleyici de zaten operatöre bağlı olan represörü uzaklaştırır. Böylece, indükleyicinin varlığında represörinaktifdir, operatöre bağlanmaz ve süreç yapısal genlerin transkripsiyonu ile sonuçlanır. Bunun aksine, uyarıcının yokluğunda represöraktifdir, operatöre bağlanır ve yapısal genlerin transkripsiyonun inhibisyonu ile sonuçlanır. Yapısal genlerinin transkripsiyonu kapatılması düzenleyici gen ürünlerinin (represör) fonksiyonu olduğu için bu tür kontrol, NEGATİF KONTROL olarak adlandırılır.

İndükleyici
Lak genlerinin transkripsiyonu bir indükleyici (laktoz veya diğer β-galaktozitler) varlığında veya yokluğunda etkilenir (Şekil 2).

 

Örn,	+ indükleyici	Ekspresyon
	- indükleyici	Ekspresyon  yok

  Şekil 3;Katabolit baskılama

Şekil 4; Lacoperon tarafından kodlanan proteinlerin ekspresyonu üzerindeki glukozun etkisi

  Şekil 5; Lacoperon tarafından kodlanan proteinlerin ekspresyonu üzerindeki glukozun etkisi

Katabolit baskılama (represyon) (Glikoz Etkisi)

Birçok indüklenebilir operonlar sadece ilgili indükleyicileri ve düzenleyici genler tarafından kontrol edilmez, aynı zamanda ortamdaki glikoz seviyesiyle de kontrol edilmektedir.Glukozun, bir dizi farklı indüklenebilir operonların ekspresyonunu kontrol etme, yeteneği katabolit baskılama olarak adlandırılır. Bu durum Şekil 3'te gösterilmiştir.

Katabolit baskılama genellikle, bir enerji kaynağı olarak kullanılan bileşiklerin parçalanmasında görevli olan operonlarda görülür. Glukoz bakteriler tarafından tercih edilen enerji kaynağı olduğu için, diğer operonların ekspresyonunun regüle edilmesinde glukozun yeteneği, enerji kaynağı olarak herhangi bir karbon kaynağından önce bakterilerin glikozdan yararlanmasını garanti eder.
 

Mekanizma
Bakterilerdeki glukoz ve siklik AMP (cAMP) seviyeleri arasında ters bir ilişki bulunmaktadır. Glukoz düzeyleri yüksek olduğunda cAMP düzeyleri düşüktür ve glikoz düzeyleri düşük olduğunda cAMP düzeyleri yüksektir. Bu ilişki, glukozu hücre içerisine taşınması durumunda cAMP üreten enzim olan adenilsiklazıinhibe etmesi temelindedir. Bakteri hücresinde cAMP, CAP veya CRP olarak adlandırılan bir cAMP bağlayıcı proteine bağlanır. cAMP-CAP kompleksi, serbest CAP proteini değil, katabolit baskılamaya duyarlı operonların başlatıcı bölgesinde bir yere bağlanır. Şekil 4 ve 5'de gösterildiği gibi, kopleksin bağlanması daha etkin bir promotör ve böylece promotorden (başlatıcı) daha etkin transkripsiyonların başlaması ile sonuçlanır. CAP-cAMPkompleksinin rolü transkripsiyonu açmak için olduğundan bu tip kontrol mekanizması POZİTİF KONTROL olarak adlandırılır. Bu tür kontrolün sonuçları olarak, bir katabolit baskılamaya duyarlı operonun maksimum eksresyonunun olması için, glukoz ortamda mevcut olmalı ve operonun indükleyicisinin de olması gerekir. Her ikisi de olduğu takdirde, glikoz metabolize olana kadar, operon maksimum eksprese edilmez. Açıkçası,indükleyici mevcut olmadıkça operonun hiçbir ekspresyonu olmayacaktır.
 

Şekil 6; Triptofan operon

  Şekil 7; Tryp operondan ekspresyonu üzerine triptofan etkisi

Bastırılabilir genler - operon modeli

Tanım
Baskılanabilir genler, ortamında bir madde (bir yardımcı-represör) varlığında, bu maddenin metabolizmasında rol alan genlerin (yapısal genler) ekspresyonunu kapatan genlerdir.

örneğin, TriptofanTrp genlerin ekspresyonunu bastırmıştır.

Baskılama metabolik yollar içinde; bir maddenin biyosentezinde ve genelde yolun son ürünü olarak regüle edilen co reseptör olarak, yaygındır.

Triptofanoperon

Yapısal genler
Triptofanoperon (Şekil 6), triptofan sentezinde yer alan enzimler için, beş yapısal genleri içerir. Bu genler, beş enzimi sentezletmek üzere, bir polisistronikmRNA'ya bir ortak promotörden transkripte edilir.
 

Düzenleyici gen
Yapısal genlerin ekspresyonu, sadece ko-represör varlığında veya yokluğunda etkilenmez, aynı zamanda belirli bir düzenleyici gen tarafından da kontrol edilir. Düzenleyici gen etkilediği genin bitişiğinde ve uzağında olabilir. Düzenleyici gen, REPRESÖR olarak adlandırılan, spesifik bir proteini kodlar (bazen apo-represör olarak adlandırılır). Represör sentezlendiği zaman aktif değildir. Bununla birlikte, (örneğin, triptofan) ko-represör ile birleşerek aktif hale getirilebilir.

Operator
Aktif represör / ko-represör kompleks, operatör olarak adlandırılan ve düzenlenen yapısal gene bitişik olan DNA'nın spesifik bir bölgesine bağlanarak etki eder. Operatör bölgesi ve promotörü ile birlikte yapısal genler bir operon olarak adlandırılır. Bu nedenle, ko-represör varlığında represör aktiftir ve operatöre bağlanır ki bu durum yapısal genin transkripsiyonunun baskılanmasıyla sonuçlanır. Bunun aksine, ko-represör yokluğunda represör inaktiftir ve operatöre bağlanmaz ki bu durum yapısal genlerin transkripsiyonu ile sonuçlanmaz. Düzenleyici gen ürününün (represör) fonksiyonu, yapısal genin transkripsiyonunu kapatmak olduğu için, bu tür kontrol bir NEGATİF KONTROL olarak adlandırılır.

Ko-represör
Triptofan gen transkripsiyonu, bir ko-represör (triptofan) (Şekil 7) varlığında veya yokluğunda etkilenir.
 

e.g.	+ ko-represör	ekspresyon yok
	- ko-represör	ekspresyon

  Şekil 8; Atenüasyonun mekanizması

  Figure 9  Formation of stem-loops

Atenuasyon (Sönme)

Birçok bastırılabilir operonlarda, promotör de başlatılan transkripsiyon ilk yapısal gen öncesinde bulunan bir lider bölgede prematür olarak kesilebilir. (örn.; polimeraz transkripsiyonu sona erdirmeden önce ilk geni operona alır). Transkripsiyonun erken sonlandırıldığı bu durum; ATENUASYON (SÖNME) olarak adlandırılır. Her ne kadar sönme belirli sayıda operonda görülse de, mekanizması en iyi amino asit biyosentezine katılan baskılanabilir operonlarda anlaşılmıştır. Bu durumlarda sönme akraba aminoaçil t-RNA varlığı ile düzenlenir.

Mekanizma (Bakınız; Şekil 8)
Transkripsiyon promoterde başlatıldığı zaman, aslında önce birinci yapısal genin transkripsiyonu başlar ve lider transkript yapılır. Bu lider bölgesi, protein sentezi için, başlangıç ve durdurma sinyali içerir. Bakteriler bir nükleer membrana sahip olmadıkları için, transkripsiyonu ve translasyon aynı anda oluşabilir. RNA polimerazın lider bölge transkripsiyonu sırasında kısa bir peptid yapılır. Bu test peptit molekülünün ortasında birkaç triptofan kalıntısı bulunur. Bu nedenle, eğer bir test peptidi translasyonu için triptofanil-t-RNA yeterli bir miktarda mevcutsa tüm peptid yapılacak ve sonra ribozoma durdurma sinyali ulaşacaktır. Öte yandan, bu peptid translasyonu için yeterli triptofanil-t-RNA yok ise ribozom durdurma sinyalini almadan önce iki triptofan kodonunda durdurulacaktır.

Lider m-RNA dizisi tamamlayıcı dizileri olan (Şekil 9) dört bölge içerir. Bu nedenle, çok sayıda farklı ikinci kök ve halka yapıları oluşturulabilmektedir. Bölge 1 yalnızca bölge 2 ile baz çiftleri oluşturabilir; Bölge 2, bölge 1 veya 3 ile baz çiftleri oluşturabilir; bölge 3, bölge 2 veya 4 ile baz çiftleri oluşturabilir; ve 4 bölgesi, sadece bölge 3 ile baz çifti oluşturabilir. Böylece RNA'da üç olası kök / halka yapısı oluşturulabilir.

bölge 1 : bölge 2
bölge 2 : bölge 3
bölge 3 : bölge 4
 

Olası yapılardan biri, (bölge 3 ile bölge 4'ün baz çifti yapması) RNA polimerazın transkripsiyonu sona erdirmesi için, bir sinyal üretir (örn; transkripsiyonun atenüasyonu). Bununla birlikte, tek bir gövde ve halka yapısının (baz çifti) oluşumu diğer oluşumları engeller. Eğer bölge 1 ile bölge 2 baz çifti oluşturur ise bölge 2'nin bölge 3 ile baz çifti oluşturması mümkün değildir. Benzer şekilde eğer bölge 3 bölge 2 ile baz çifti oluşturursa bölge 4 ile bölge 3'ün baz çifti yapması imkansız olur.

Çeşitli kök ve halka yapılarının oluşumunu etkileyecek test peptidi translasyonu için ribozomların yeteneği Şekil 10. Ribozoma translasyon için durdurma sinyali ulaşırsa, ribozom bölge 2 kapsayacak ve böylece bölge 2'nin diğer bölgeler ile baz çifti oluşturması mümkün olmayacaktır. Bu durum transkripsiyonun sonlandırılması sinyali üretimine yol açacak olan, bölge 3 ile bölge 4'ün eşleşmesini mümkün hale getirecektir. Bu nedenle, test peptidi translasyonu için yeterli triptofanil-t-RNA olduğunda, atenüasyon ortaya çıkar ve yapısal genlerin transkripsiyonu olmaz. Bunun aksine, test peptidi translasyonu için triptofanil-t-RNA yetersiz olduğu zaman herhangi bir atenüasyon olmayacaktır. Ribozom bölge 1'de iki triptofan kodonunda durması nedeniyle bölge2'nin bölge 3 ile baz çifti oluşturmasına imkan olur ve atenüasyon sinyalinin oluşması önlenir (örn.; bölge 3 bölge 4 ile baz çifti yapmıştır). Bu nedenle, yapısal gen transkribe edilir.
 

ENZİM AKTİVİTESİNİN REGÜLASYONU

Bakteriler de kendi enzimlerin aktivitelerini düzenleyen yollara sahiptirler.

Geribildirim inhibisyonu

Bakteriyel enzim aktivitesi, genellikle geribildirim inhibisyonuna tabidir. Genellikle, bir yolun son ürünü inhibitördür ve yoldaki ilk enzimde düzenleme basamağıdır.

Epigenetik modifikasyon

Bakteriyel enzimlerin aktivitesi bu enzimlerin kovalent modifikasyonları ile kontrol edilebilir. Bu tür modifikasyon EPİGENETİK MODİFİKSYON olarak adlandırılır.

örn.;Glutamin sentetazın adenilasyonu

Glikojen sentetazın fosforilasyonu

Genellikle bu değişiklikler, enzimlerin aktivitelerinin açılıp ve kapana bilmesi için geri dönüşümlüdür.
 

Mikrobiyoloji ve İmmünoloji On-line Kitabı Bakteriyoloji Bölümüne dön

 

This page last changed on Wednesday, March 02, 2016
Page maintained by Richard Hunt