Gen Düzenleyici Ağlar

Yaşamımızı Düzenleyen Bir Mekanizma

Hücre, tüm yaşam formlarının en küçük ve ortak birimidir. Hücre, aynı zamanda, canlılığın belli çevresel koşullar altında metabolik olarak sürdürülebilmesini ve nesilden nesile aktarılabilmesini sağlayan dinamik bir sistemdir. Sistemin sürekliliği ve dinamik yapısı, temelde genetik materyalin kendini eşleyebilmesinin yanında, hücre bölünmesi gibi süreçlerin bir fonksiyonu olarak ortaya çıkar. Genel olarak tüm hücreler, nükleik asit yapısında genetik materyale sahip olmalarına rağmen, prokaryot ve ökaryot organizmalar, genetik materyalin hücresel organizasyonu açısından önemli ölçüde farklıdır.

Bakteri ve arkealar gibi tek hücreli prokaryotik canlılarda genetik materyal, hücrenin sitoplazması içinde bulunur. Buna karşın, bizi de içeren ve çok daha büyük çeşitlilik gösteren canlı gruplarını kapsayan tek ya da çok hücreli ökaryotik organizmalarda, genetik materyal ayrı bir membranla çevrilmiş olarak çekirdek içinde bulunur. Bu temel yapısal farklılıklara bağlı olarak, prokaryot ve ökaryot organizmalarda, hücre bölünmesi gibi biyolojik süreçlerin işleyişinde önemli ölçüde farklılıklar bulunur. Hücre bölünmesi sırasında, milyonlarca baz çifti uzunluğundaki DNA molekülünün, eksiksiz ve hatasız olarak yeni hücrelere aktarılabilmesi açısından, kromozomal düzenlenme önemli bir adımdır. Mesela ökaryotik kromozomlar, hücre bölünme sinyali ile 2 nm çapındaki uzun DNA molekülünün kendini eşlemesi ve her iki DNA zincirinin histon proteinleri etrafında ve kendi üzerinde 1400 nm çapında lineer bir yapı oluşturacak şekilde katlanmasıyla oluşur.

Hücre içinde temel metabolik olayların ve hücreye özel fonksiyonların gerçekleştirilmesi, hücrenin iç ve dış uyaranlara karşı adaptif yanıtlar üretebilmesi, diğer hücrelerle iletişim ve hücre bölünmesi süreçleri, DNA'nın kontrolü altında gerçekleşir. DNA, hücre içerisindeki bütün görevlerden sorumlu ana mekanizmadır. Peki, tüm bu görevler düşünüldüğünde, DNA kendi içerisinde nasıl organize olmaktadır? Tek başına bir karar mercii midir, yoksa yetkili elemanlardan oluşan bir yönetim kurulu mu? Cevap ikincisidir. DNA, gen adı verilen her bir elemanın oluşturduğu bir yönetim kuruludur.

Genler, DNA üzerindeki belli nükleotit dizilerine verilen addır (Şekil 1). Organizmaların tüm özellikleri genler tarafından belirlenir. Her bir genin, ayrı bir görevi vardır ve gen ifadeleri (genin görevine gereksinim duyulduğu zamanki işlerliği) hücre içerisindeki biyokimyasal parametrelerin durumlarına ve üzerilerindeki etkilerine göre aktif veya inaktif durumlarda bulunurlar. Hücrelerin karmaşık fonksiyonlarının gerçekleşmesinde birbiri üzerine aditif olarak etki eden bir çok gen ürününün bir arada çalışması söz konusudur.

Chromosome_Gene_DNA
Şekil 1. Kromozom, DNA ve genlerin şematik gösterimi.

Gen ifadesi, DNA'da saklanan genetik bilginin bir mRNA molekülü şeklinde kopyalanması ve yazılması -transkripsiyon ve mRNA dizisinin yapısal veya enzimatik bir protein zincirine dönüştürülmesi- translasyon süreçleriyle gerçekleşir (Şekil 2). Ökaryotik organizmalarda gen ifadesinin düzenlenmesi, hem transkripsiyon hem de translasyon seviyesinde gerçekleşir. Bu durumda bazı spesifik transkripsiyon faktörleri (aktivatörler ve represörler) gen dizisi içinde ya da dışında, bazı özel tekrar dizilerine bağlanarak gen transkripsiyonunun aktivasyonunu ya da engellenmesini sağlayarak, ilgili geni aktif veya inaktif hale getirirler. Ayrıca, gen transkripsiyonunun gerçekleşmesi sonrasında, hücre içinde spesifik faktörlerin varlığına bağlı olarak gerçekleşen mRNA prosesi, molekülün yarılanma ömrünün belirlenmesi ve gen fonksiyonunun ortaya çıkmasında etkili proteinlerin sentezlenmesini sağlar. Bu genetik düzenlenme mekanizmasının temel tanımıdır.

Transcription
Şekil 2. Transkripsiyon ve translasyon.

Genetik düzenlenme, gelişimin ya da hayat döngüsünün herhangi bir zamanında, bir hücrede ifade edilen gen ürünlerinin miktar ve ifade zamanlarının geri döndürülebilen mekanizmalarla kontrolüdür. Düzenlenme sistemi; genler, genlerin ifadelerini kontrol eden gen dışı DNA bölgeleri olan cis-elemanları ve regülatörleri içerir. Genler, düzenleyiciler ve düzenleyiciler arası bağlantılar, canlının genotip kavramını, yani gen düzenleyici ağlarını oluşturur (Şekil 3).

Gen_duzenleyici_ag
Şekil 3. E. coli bakterisinin gen düzenleyici ağının grafik gösterimi.

Eğer bu mekanizma olmasaydı, hepimiz tek tip hücreden oluşurduk; yani dokularımız olmazdı. Karaciğer hücremizin karaciğer, deri hücremizin deri, kemik hücremizin kemik, sinir hücremizin sinir, kan hücremizin kan vs. olmasını sağlayan gen düzenleyici ağlardır.

Bir hücre içerisindeki genlerin ifadeleri ile gerçek deneysel veriler doğrultusunda hangi fonksiyondan sorumlu olduğu ve gen düzenleyici ağın etkileşim yönelimlerinin, ilgili zamanda nasıl olduğu tam olarak ortaya çıkarılabilirse, bunlarla birlikte kararlılığı doğrulanırsa; kanser ve kalıtsal hastalıklar dahil hemen her durumun kolayca açıklanabilmesi olasıdır. Bilgi ve teknoloji, teori ve deneysel altyapı doğru orantılı olarak geliştiği için yapılacak her çalışma bu uzun yolculuğa katkıda bulunacaktır.

Emir Haliki

Kaynaklar
1) Watson, J. D., Baker, T. A., Bell, S. P., Gann, A., Levine, M. and Losick R., 2004, Molecular Biology of the Gene, Pearson, New Jersey, 244p.
2) Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C. A., Krieger, M., Scott, M. P., Bretscher, A., Ploegh, H.
and Matsudaria, P., 2008, Molecular Cell Biology, W. H. Freeman and Company, New York, 323p.
3) Mayr, E., 1982, The Growth of Biological Thought, Harvard University Press, London, 851p.
4) Aluru, S., 2006, Handbook of Computational Molecular Biology, Chapman & Hall/CRC, Florida, 27p.
Şekiller;
5) https://www.engrade.com/wikis/page-print.php?itemid=300000000416885&pageid=1
6) http://www.tokresource.org/tok_classes/biobiobio/biomenu/transcription_translation/
7) http://www.nature.com/scitable/topicpage/analyzing-regulatory- networks-in- bacteria-14426192

Emir Haliki

Ege Üniversitesi Fen Fakültesi - Fizik Bölümü Doktora Öğrencisi. Karmaşık sistemler, genetik düzenlenme mekanizmaları ve ağ analizleri çalışma alanı. Aynı zamanda matematik, sayısal çözümleme, biyoloji ve astronomi de ilgi alanları. Bunların yanında zaman zaman amatör olarak gözlemsel astronomi, doğa yürüyüşleri, oyun motorları tasarımları ile ilgileniyor.

Emir Haliki 17 makale yazdıEmir Haliki tarafından yazılan tüm makaleleri gör