Transkripsiyon Nasıl Gerçekleşir? DNA’dan RNA’ya Bilgi Akışı

Kalıp iplik, kodlayıcı iplik ve yön bilgisi nasıl okunur?

DNA’nın iki ipliğinden yalnızca biri, belirli bir genin transkripsiyonu sırasında kalıp olarak kullanılır. Kalıp iplik, RNA polimeraz tarafından 3'→5' yönünde okunur. Buna karşılık yeni RNA zinciri 5'→3' yönünde uzar. Bunun nedeni, yeni nükleotitlerin RNA’nın 3' ucuna eklenmesidir.

Diğer DNA ipliğine kodlayıcı iplik ya da anlamlı iplik denir. Sentezlenen RNA’nın dizisi, kodlayıcı iplikle büyük ölçüde aynıdır; temel fark DNA’daki timin (T) yerine RNA’da urasil (U) bulunmasıdır. Ancak diziyi karşılaştırırken ipliklerin yönleri mutlaka dikkate alınmalıdır. Kodlayıcı iplik 5'→3' yönünde verilmişse RNA dizisi de 5'→3' yönünde aynı okunur ve yalnızca T yerine U yazılır.

Örneğin kodlayıcı DNA dizisi 5'-ATG-3' ise karşılık gelen RNA dizisi 5'-AUG-3' olur. Aynı parçanın kalıp iplik gösterimi 3'-TAC-5' şeklindedir. Kalıp iplikten tamamlayıcılık kurularak da 5'-AUG-3' sonucuna ulaşılır: T karşısına A, A karşısına U ve C karşısına G gelir.

Buradaki karar kuralı şudur: Soru RNA dizisini istiyorsa önce verilen DNA ipliğinin kalıp mı kodlayıcı mı olduğunu ve 5' ile 3' uçlarının hangi yönde yazıldığını belirleyin. Yön bilgisi verilmeden yalnızca harfleri tamamlamak, özellikle sınav sorularında hatalı sonuca yol açabilir.

Promotörden terminatöre: RNA sentezinin üç aşaması

Transkripsiyon, başlama (inisiyasyon), uzama (elongasyon) ve sonlanma (terminasyon) olmak üzere üç ana aşamada incelenir.

Başlama: RNA polimeraz, genin başlangıcını belirleyen promotör bölgesine bağlanır. Prokaryotlarda promotörün tanınmasına sigma (σ) faktörüyle ilişkili RNA polimeraz holoenzimi yardım eder. Ökaryotlarda ise RNA polimeraz II’nin protein kodlayan genlerin promotörüne yerleşebilmesi için genel transkripsiyon faktörleri gerekir. Enzim bağlandıktan sonra DNA’nın yerel bir bölümü açılır ve kalıp iplik erişilebilir hâle gelir.

Uzama: RNA polimeraz kalıp DNA ipliği üzerinde 3'→5' yönünde ilerlerken RNA’yı 5'→3' yönünde sentezler. Kullanılan yapı taşları ATP, GTP, CTP ve UTP’dir. Her ribonükleotit trifosfat zincire eklendiğinde fosfodiester bağı kurulur ve pirofosfat (PPi) açığa çıkar. Sentez sırasında DNA’nın ön kısmında açılma, enzimin arkasında ise yeniden eşleşme görülür; bu nedenle bütün DNA molekülünün kalıcı olarak açılması gerekmez.

Sonlanma: RNA polimeraz bir sonlanma sinyaline ulaştığında RNA zinciri serbest bırakılır. Prokaryotlarda sonlanma rho-bağımlı veya rho-bağımsız olabilir. Rho-bağımsız mekanizmada RNA üzerinde oluşan saç tokası yapısı ve bunu izleyen poli-U bölgesi polimerazın durmasına katkı verir. Ökaryotlarda özellikle mRNA genlerinde sonlanma, RNA işleme ve poliadenilasyon sinyalleriyle bağlantılı daha karmaşık bir süreçtir.

Bu aşamalar birbirinden bağımsız olaylar değildir: promotör başlangıç yerini ve yönünü belirler, uzama RNA dizisini oluşturur, terminasyon ise ürünün nerede bırakılacağını belirler.

Ökaryotlarda pre-mRNA neden doğrudan ribozoma gönderilmez?

Ökaryotik protein kodlayan genlerden ilk sentezlenen RNA çoğu zaman olgun mRNA değil, öncü mRNA (pre-mRNA) olarak adlandırılır. Bu RNA çekirdekten sitoplazmaya çıkmadan önce üç önemli işlemden geçebilir. Bu işlemler transkripsiyon sonrası RNA işlenmesi başlığı altında anlatılabilse de önemli bir bölümü transkripsiyon sırasında başlar veya transkripsiyonla eşgüdümlü olarak gerçekleşir.

İlk işlem 5' başlık eklenmesidir. RNA’nın 5' ucuna 7-metilguanozin başlık eklenmesi, RNA’nın nükleazlar tarafından parçalanmaya karşı korunmasına, çekirdekten taşınmasına ve ribozomun mRNA’yı tanımasına katkı sağlar.

İkinci işlem 3' poli-A kuyruğunun eklenmesidir. Kaynakta verilen bilgiye göre bu kuyruk genellikle 50-250 adenin nükleotitinden oluşur. Poli-A kuyruğu mRNA’nın kararlılığını artırır ve translasyona yardımcı olur. Bu aralık her RNA için değişmez bir sayı olarak değil, kaynakta belirtilen tipik aralık olarak anlaşılmalıdır.

Üçüncü işlem splicing, yani eklemlemedir. İntronlar pre-mRNA’dan çıkarılabilen, eksonlar ise olgun RNA’da genellikle korunan bölgelerdir. Eksonların bazı kısımları protein kodlamaz; intron ve eksonların işlevi genin yapısına göre değişebilir. Splicing sırasında intronlar çıkarılır ve seçilen eksonlar birleştirilir. İşlem spliceozom adı verilen ribonükleoprotein kompleksiyle yürütülür.

Alternatif splicing, aynı genin eksonlarının farklı kombinasyonlarda birleştirilmesine izin verir. Böylece tek bir gen, birden fazla mRNA ve farklı protein izoformlarının oluşmasına katkıda bulunabilir. Bu nokta önemlidir: alternatif splicing, DNA’nın yeniden yazılması değildir; aynı pre-mRNA’nın farklı biçimlerde işlenmesidir.

Prokaryotlarda ise çekirdek zarı bulunmadığı için transkripsiyon ve translasyon birbirinden ökaryotlardaki kadar mekânsal olarak ayrılmaz. Bununla birlikte, ‘prokaryotik mRNA’ların hiçbir işleme uğramadığı’ şeklindeki mutlak ifade kullanılmamalıdır; verilen temel karşılaştırma, ökaryotik mRNA işlemesinin daha belirgin ve kapsamlı olduğudur.

RNA polimeraz türleri ve genin açılıp kapanması

Ökaryotlarda RNA polimerazlar farklı RNA gruplarının sentezinde uzmanlaşır. RNA Polimeraz I esas olarak 18S, 5.8S ve 28S rRNA’ların öncülünü; RNA Polimeraz II protein kodlayan genlerin mRNA öncüllerini ve bazı küçük RNA’ları; RNA Polimeraz III ise tRNA’ları, 5S rRNA’yı ve diğer bazı küçük RNA’ları transkribe eder.

Bir genin transkripsiyona uygun olması yalnızca promotörün varlığına bağlı değildir. DNA’nın histonlar etrafına sarılmasıyla oluşan kromatin yapısı, düzenleyici bölgelere erişimi etkiler. Daha yoğun kromatin, ilgili bölgeye proteinlerin erişimini zorlaştırabilir; kromatin yapısındaki değişiklikler ise erişilebilirliği değiştirebilir.

Promotöre ek olarak enhancer adı verilen güçlendirici ve silencer adı verilen susturucu düzenleyici bölgeler görev yapabilir. Bu bölgelerdeki transkripsiyon faktörleri, RNA polimerazın etkinliğini artırabilir veya azaltabilir. DNA metilasyonu ve histon modifikasyonları da kromatin düzenlenmesi üzerinden gen ifadesini etkileyebilir.

Bu bilgilerden çıkarılacak sonuç şudur: Bir genin DNA’da bulunması, o genin aynı anda yüksek düzeyde RNA ürettiği anlamına gelmez. Transkripsiyon düzeyi; promotörün tanınması, yardımcı faktörlerin bulunması, kromatinin erişilebilirliği ve uzak düzenleyici dizilerin etkisiyle değişebilir.

Transkripsiyonun laboratuvar ve tıp uygulamalarındaki karşılığı

Bir hücrenin hangi genleri, hangi koşulda ve ne miktarda ifade ettiğini anlamak için transkripsiyon ürünleri incelenir. RNA düzeylerinin nicel değerlendirilmesinde qRT-PCR, RNA dizileme (RNA-seq) ve mikroarray kullanılabilir; klasik RT-PCR ise çoğunlukla nitel veya yarı nicel analiz sağlar. RT-PCR’de RNA önce ters transkripsiyonla DNA biçimine çevrilir; ardından elde edilen DNA PCR ile çoğaltılabilir. Bu nedenle RT-PCR, doğrudan DNA’dan RNA sentezleyen transkripsiyonla aynı işlem değildir.

Rekombinant DNA teknolojisi ve gen klonlama çalışmalarında da promotör ve düzenleyici bölgelerin kontrolü önem taşır. İstenen bir gen uygun bir konak hücreye aktarıldığında, genin RNA’ya ne kadar verimli çevrileceği promotör seçimi ve düzenleyici dizilerle ilişkilidir. Bakterilerde bazı proteinlerin üretilmesi bu gen ifadesi mantığından yararlanır.

İlaç geliştirmede transkripsiyon hedeflenebilir. Rifampisin, bakteriyel RNA polimerazı inhibe ederek bakterilerde transkripsiyonun sürmesini engelleyen örneklerden biridir. Bu örnek, transkripsiyonun yalnızca teorik bir süreç olmadığını; hücre çoğalması ve hastalık tedavisi açısından hedeflenebildiğini gösterir.

CRISPR tabanlı sistemlerin bazı uygulamalarında DNA dizisi kesilmeden gen ifadesi artırılabilir (CRISPRa) veya baskılanabilir (CRISPRi). Bu yaklaşımda amaç, seçilen bölgedeki transkripsiyon etkinliğini değiştirmektir. Dolayısıyla CRISPR’ın her kullanımını DNA dizisini değiştiren bir işlem olarak tanımlamak doğru değildir.

Çözümlü örnekler: DNA dizisinden RNA’ya ve RNA işlenmesine

Örnek 1 — Kodlayıcı iplikten RNA dizisi bulma

Verilenler: Kodlayıcı DNA ipliği 5'-ATG CCT-3' olarak verilmiştir.

Çözüm adımları:

1. Kodlayıcı iplik verildiği için RNA dizisi bu iplikle aynı sırada yazılır.
2. RNA’da timin bulunmadığından DNA’daki T harfleri U ile değiştirilir.
3. A T G C C T dizisi, RNA’da A U G C C U olur.

Sonuç: RNA dizisi 5'-AUG CCU-3' şeklindedir. Burada tamamlayıcı diziyi yeniden kurmaya gerek yoktur; çünkü kodlayıcı iplik kullanılmıştır. Ancak dizinin kalıp DNA olarak verildiği bir soruda tamamlayıcılık uygulanması gerekir.

Örnek 2 — Kalıp iplikten RNA dizisi bulma

Verilenler: Kalıp DNA ipliği 3'-TAC GGA-5' yönünde verilmiştir.

Çözüm adımları:

1. Kalıp iplik 3'→5' yönünde verildiği için RNA, karşısına tamamlayıcı bazlar yazılarak 5'→3' yönünde oluşturulur.
2. T karşısına A, A karşısına U, C karşısına G; G karşısına C, G karşısına C ve A karşısına U gelir.
3. Ortaya çıkan RNA dizisi 5'-AUG CCU-3' olur.

Sonuç: RNA dizisi 5'-AUG CCU-3' tür. İki örnekte RNA sonucunun aynı çıkması tesadüf değildir: 1. örnekte kodlayıcı iplik, 2. örnekte onun tamamlayıcısı olan kalıp iplik verilmiştir.

Örnek 3 — Ökaryotik pre-mRNA’nın olgunlaşması

Verilenler: Bir pre-mRNA’da 5' başlık eklenmesi, intronların çıkarılması ve 3' poli-A kuyruğu eklenmesi gerektiği belirtilmiştir.

Çözüm adımları:

1. 5' ucuna 7-metilguanozin başlık eklenir.
2. Splicing sırasında intronlar çıkarılır ve seçilen eksonlar birleştirilir.
3. 3' ucuna kaynakta verilen tipik aralık olan 50-250 adenin nükleotitlik poli-A kuyruğu eklenebilir.
4. Bu işlemlerin ardından olgunlaşmış mRNA, çekirdekten çıkıp translasyonda kullanılabilecek hâle gelir.

Sonuç: Pre-mRNA’nın olgun mRNA’ya dönüşmesi, transkripsiyonun kendisi değil; transkripsiyonla eşgüdümlü başlayabilen veya transkripsiyon sonrasında devam edebilen RNA işleme basamaklarıdır.

Sık yapılan hatalar ve karıştırılan kavramlar

• Transkripsiyon ile translasyonu eşitlemek: Transkripsiyon DNA’dan RNA’ya, translasyon RNA’dan proteine bilgi aktarımıdır. Protein sentezinin iki farklı basamağıdır.

• RNA’nın 3'→5' sentezlendiğini söylemek: RNA polimeraz kalıp DNA’yı 3'→5' okur; yeni RNA’yı 5'→3' sentezler. Okuma yönü ile sentez yönü karıştırılmamalıdır.

• Her iki DNA ipliğinin aynı gen için birlikte kalıp olduğunu düşünmek: Belirli bir genin transkripsiyonunda DNA ipliklerinden biri kalıp olarak kullanılır. Genomun başka bir bölgesinde diğer iplik farklı bir gen için kalıp olabilir; bu, aynı genin iki ipliğinin aynı anda birlikte okunduğu anlamına gelmez.

• Promotörü RNA’nın parçası sanmak: Promotör, RNA polimerazın tanıdığı DNA düzenleyici bölgedir. RNA’ya çevrilen dizinin kendisi olarak düşünülmemelidir.

• DNA’daki T harfini RNA’da korumak: RNA dizisi yazılırken T yerine U kullanılır.

• Başlık, poli-A ve splicing’i transkripsiyonun üç aşaması sanmak: Başlama, uzama ve sonlanma transkripsiyonun ana aşamalarıdır. 5' başlık, poli-A kuyruğu ve splicing ise özellikle ökaryotik pre-mRNA’nın transkripsiyonla eşgüdümlü başlayabilen veya transkripsiyon sonrasında devam edebilen RNA işlenmesi basamaklarıdır.

• Her RNA’nın proteine çevrildiğini düşünmek: mRNA protein sentezinde kalıp görevi görür; tRNA ve rRNA gibi RNA’lar farklı görevler üstlenir.

• Prokaryot ve ökaryot farkını yalnızca konumla açıklamak: Ökaryotlarda transkripsiyon çekirdekte, prokaryotlarda sitoplazmada gerçekleşir; ayrıca RNA polimeraz çeşitleri, RNA işlenmesi ve kromatin temelli düzenleme bakımından da farklar vardır.

• ‘Gen DNA’da varsa mutlaka ifade edilir’ demek: Genin ifade edilmesi promotör, transkripsiyon faktörleri, kromatin erişilebilirliği ve diğer düzenleyici unsurlara bağlıdır.