DNA Temelleri ve Yapısı
DNA (deoksiribonükleik asit), bilinen tüm canlı organizmaların gelişiminde ve işleyişinde kullanılan genetik bilgiyi içeren hücrelerdeki genomik materyaldir. DNA, RNA ve proteinlerle birlikte, yaşam için gerekli olan üç ana makromolekülden biridir. DNA’nın çoğu çekirdekte bulunur ancak küçük bir miktarı mitokondride (mitokondriyal DNA) bulunabilir. Ökaryotik hücrelerin çekirdeği içinde DNA, kromozom adı verilen yapılar halinde düzenlenir. Bir hücredeki kromozomların tamamı genomunu (genetik şifre) oluşturur; insan genomu 46 kromozom halinde düzenlenmiş yaklaşık 3 milyar baz DNA çiftine sahiptir. DNA tarafından taşınan bilgi, gen adı verilen DNA parçaları dizisinde tutulmaktadır.
DNA yapısında bulunan her şekere, nükleobazlar (bazlar) adı verilen dört tip molekülden biri eklenir. Bilgiyi kodlayan, bu dört bazın dizisidir. Bu bazların sekansı, daha sonra proteinler içindeki amino asitlerin sekansını belirten genetik kodu içermektedir. DNA ve RNA arasındaki en büyük yapısal farklılıklardan biri şekerdir; DNA’daki 2-deoksiriboz, RNA’daki riboz ile değiştirilir.
Bazlar iki türe ayrılır: pürinler, A ve G ve pirimidinler, altı üyeli halkalar C, T ve U. Urasil (U), RNA’da timinin yerini alır ve bir metil grubu olmaması nedeniyle timinden farklılık gösterir. Urasil genellikle DNA’da bulunmaz ve yalnızca sitozinin parçalanma ürünü olarak oluşur. DNA çift sarmalında, bir sarmaldaki her bir baz türü normalde diğer sarmaldaki yalnızca bir tür bazla etkileşime girer. Bu tamamlayıcı baz eşleştirmesidir. Bu nedenle, pürinler pirimidinlere hidrojen bağları oluşturur, A yalnızca T’ye bağlanır ve C yalnızca G’ye bağlanır.
Merkezi Dogma
Moleküler biyolojinin ana dogması “DNA, RNA, protein yapar” şeklindedir. Bu genel kural, transkripsiyondan çeviriye kadar olayların sırasını vurgular ve 1950’lerde çift sarmal sonrası genetik kod araştırmalarının çoğunun temelini oluşturur. Merkezi dogma genellikle şu şekilde ifade edilir: “DNA RNA yapar, RNA proteinler yapar, proteinler bizi yapar”. Protein asla RNA veya DNA’ya geri çevrilmez. Dahası, DNA asla doğrudan proteine çevrilmez.
DNA Replikasyonu
Hücre bölünmesi, hücrelerin çoğalması ve organizmaların büyümesi için gereklidir. Merkezi Dogmanın son adımı olarak, genetik materyali herhangi bir hücre veya organizmanın soyuna sadık bir şekilde iletmek için DNA replikasyonu gerçekleşmelidir.
Bir hücre bölündüğünde, iki yavru hücrenin ebeveynleriyle aynı genetik bilgiye sahip olması için genomundaki DNA’yı doğru şekilde kopyalamalıdır. DNA’nın çift sarmallı yapısı, DNA replikasyonu için basit bir mekanizma sağlar. İki şerit ayrılır ve ardından DNA polimeraz adı verilen bir enzim, her bir dizinin tamamlayıcı DNA dizisini yeniden oluşturur. Bu enzim, tamamlayıcı baz eşleştirmesi yoluyla doğru bazı bularak tamamlayıcı ipliği oluşturur.
DNA polimerazlar bir DNA zincirini yalnızca 5 ila 3 yönünde uzatabildiğinden, çift sarmalın antiparalel ipliklerini kopyalamak için farklı mekanizmalar kullanılır. Bu şekilde, eski iplikteki baz, yeni iplikçikte hangi bazın görüneceğini belirler ve hücre, DNA’sının mükemmel bir kopyasıyla son bulur. Bu işlem tipik olarak hücre döngüsünün S fazında gerçekleşir.
RNA’ya DNA Transkripsiyonu
DNA’nın protein sentezi yoluyla hücre yaşamını ve işlevini kontrol etme sürecine gen ifadesi denir. Gen, bir işlevsel protein için genetik bilgi içeren bir DNA dizisidir. Proteinler, hücresel aktivitelerin düzenlenmesi ve sürdürülmesi için gereklidir. Yeni protein moleküllerinin oluşumu, DNA/RNA’da kodlanan bilgilere dayalı olarak amino asit yapı taşlarından yapılır. Her bir proteinin amino asit dizisi, konformasyonunu ve özelliklerini belirler (örneğin, diğer moleküller ile etkileşime girme yeteneği, enzimatik aktivite vb.). Yönlendirilmiş protein sentezi iki ana adımı takip eder: gen transkripsiyonu ve transkript çevirisi.
Transkripsiyon, DNA’da depolanan genetik bilginin tamamlayıcı bir RNA ipliği üretmek için kullanıldığı süreçtir. Daha ayrıntılı olarak, DNA baz dizisi ilk önce haberci RNA (mRNA) polimeraz tarafından öncül RNA adı verilen bir RNA molekülüne kopyalanır. Premessenger RNA, DNA kodlama zincirine özdeş bir baz dizisine sahiptir. Genler, intron adı verilen, değişken uzunluktaki kodlamayan diziler tarafından kesintiye uğrayan mRNA’yı (eksonlar) kodlayan dizilerden oluşur. Translasyon başlamadan önce intronlar ve eksonlar, çıkarılmasının ardından mRNA ekleme adı verilen bir işlemde birleştirilir. Messenger (mesaj) RNA ekleme, tek bir genin ifade çeşitliliğini ve çok yönlülüğünü büyük ölçüde artırmak için önemli bir mekanizma olduğunu kanıtlamıştır.
Çekirdekte ökaryotlarda, bakteri ve arkelerde sitoplazmada yer alarak olgun mRNA oluşumuna yol açar. Birkaç farklı mRNA ve protein ürünü, tek tek eksonların olgun mRNA ürünlerinden seçici olarak dahil edilmesi veya hariç tutulmasıyla tek bir genden ortaya çıkabilir. Bu fenomene alternatif mRNA ekleme denir. Tek bir genin birden fazla mRNA ve protein ürünlerini birbiriyle ilişkili ancak farklı yapı ve işlevlerle kodlamasına izin verir. İntronlar nihai olgun mRNA molekülünden çıkarıldıktan sonra, bu daha sonra ribozomlar adı verilen protein-RNA komplekslerine bağlandığı nükleer gözenekler yoluyla sitoplazmaya aktarılır.
Epigenetik
İnsan vücudundaki her somatik hücre aynı genomu içermesine rağmen, belirli genlerin hücre tipine özgü bir şekilde aktivasyonu ve susturulması gereklidir. Dahası, bir hücre, genomik stabiliteyi sağlamak için diğer hücre tiplerine özgü genlerin ifadesini susturmalıdır. Bu tür bir baskı, normal gelişimdeki her hücrenin yaşamı boyunca sürdürülmelidir. Kalıtımsal olarak tanımlanan, ancak belirli genlerin ifadesini etkileyen, ancak birincil DNA dizisinde hiçbir değişiklik olmaksızın geri döndürülebilir değişiklikler olarak tanımlanan epigenetik modifikasyonlar, bu olayları düzenlemek için idealdir. İnsanda en iyi incelenen epigenetik modifikasyon DNA metilasyonudur, ancak DNA metilasyonunun tek başına çalışmadığı, bunun yerine histon modifikasyonları gibi diğer epigenetik modifikasyonlar bağlamında meydana geldiği giderek daha fazla kabul görmektedir.
RNA
RNA, bilinen tüm yaşam formları için gerekli olan başka bir makromoleküldür. DNA gibi RNA da nükleotidlerden oluşur. Bir zamanlar yardımcı roller oynadığı düşünüldüğünde, RNA’ların artık biyolojik reaksiyonları katalize ettikleri, gen ekspresyonunu kontrol ettikleri ve modüle ettikleri, hücresel sinyallere yanıtları algılayıp ilettikleri vb. bir hücrenin kilit düzenleyici oyuncuları arasında olduğu anlaşılıyor.
RNA’nın kimyasal yapısı DNA’nınkine çok benzer: her nükleotid bir nükleobaz, bir riboz şeker ve bir fosfat grubundan oluşur. DNA’yı RNA’dan ayıran iki fark vardır. Bunlar: RNA şeker ribozunu içerirken, DNA biraz farklı şeker deoksiribozu (bir oksijen atomu olmayan bir riboz türü) içerir ve RNA nükleobaz urasil içerirken DNA timin içerir. DNA’nın tersine, çoğu RNA molekülü tek sarmallıdır ve çok karmaşık üç boyutlu yapıları benimseyebilir.
Monosistronik’e karşı Polisistronik RNA
Bir RNA molekülünün, tek bir moleküler transkripsiyonel ürün, örneğin tek bir miRNA öncüsü veya tek bir birincil mRNA için genetik bilgiyi yakaladığında monosistronik olduğu söylenir. Çoğu ökaryotik mRNA gerçekten monosistroniktir. Öte yandan, rRNA’lar ve bazı miRNA’ların polikstronik olduğu bilinmektedir. Polisistronik mRNA’lar durumunda, birincil transkript, her biri sonunda bir amino asit sekansına (polipeptit) çevrilecek olan birkaç arka arkaya mRNA içerir. Bu tür polipeptidler genellikle ilgili bir işleve sahiptir (bunlar genellikle son bir kompleks proteini oluşturan alt birimlerdir) ve kodlama dizileri tek bir birincil transkript halinde gruplandırılır, bu da onların ortak bir promotörü paylaşmalarına ve birlikte düzenlenmelerine izin verir.
Protein Kodlayan RNA’lar ve Gen İfadesi
En iyi bilinen ve üzerinde en çok çalışılan RNA sınıflarından biri haberci RNA’lardır (mRNA’lar). Bu RNA’lar, ribozomlar tarafından protein sentezini yönlendiren genetik bilgiyi taşır. Tüm hücresel organizmalar mRNA kullanır. Protein sentezi süreci, iki RNA sınıfı daha kullanır; transfer RNA’lar (tRNA’lar) ve ribozomal RNA’lar (rRNA’lar). TRNA’ların rolü; amino asitlerin, proteinleri oluşturmak üzere rRNA’ların onları birbirine bağladığı ribozoma verilmesidir.